Nghien Cuu Nang Cao Chat Luong He Dieu Chinh Tu Dong Tan So May Phat Diesel-Tailieuvn.com.Vn (1)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TẠ XUÂN TÙNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH

TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2012

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

- 1 -

CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xuân Tùng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ

ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT DI-

ESEL

Học viên : Tạ Xuân Tùng

Lớp : CH - K13

Chuyên ngành : Tự động hóa

CB hƣớng dẫn khoa học : PGS-TS. Võ Quang Lạp

BAN GIÁM

HIỆU

KHOA ĐT SAU

ĐẠI HỌC

CB HƢỚNG DẪN

KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS-TS. Võ Quang Lạp

Tạ Xuân Tùng


- 2 -


LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Tạ Xuân Tùng học viên lớp cao học khoá 13 - Tự Động Hoá

Trƣờng đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.

Hiện nay tôi đang công tác tại Công ty Điện lực Thái Nguyên.

Xin cam đoan: Đề tài "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động

tần số máy phát Diesel” dƣới sự hƣớng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp

là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc

ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không

đƣợc ghi trong danh mục.

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề

cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu

trách nhiệm.

.

Ngƣời cam đoan

Tạ Xuân Tùng


- 3 -


LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng

dẫn tận tình của thầy PGS – TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nghiên

cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động tần số máy phát Diesel” đã

đƣợc hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hƣớng dẫn PGS – TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn,

giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.

Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trƣờng đại

học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình

học tập cũng nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp

đỡ trong suốt quá trình học tập.

Tác giả

Tạ Xuân Tùng


- 4 -


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 3

MỤC LỤC ......................................................................................................... 3

DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... 6

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 8

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

1.1. Công dụng máy phát Diesel ..................................................................... 12

1.2. Chất lƣợng điện năng của máy phát điện ................................................. 12

1.2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 12

1.2.2. Ổn định tần số của máy phát điện ......................................................... 17

1.2.3. Ổn định tần số thứ cấp .......................................................................... 18

1.2.4. Ổn định tần số sơ cấp ............................................................................ 18

1.3. Các chỉ tiêu và thông số ổn định tần số ................................................ ...20

1.4 Các phƣơng án thiết kế............................................................................. 24

1.4.1. Hệ điều khiển tƣơng tự ......................................................................... 23

1.4.2. Hệ điều khiển số ................................................................................... 23

1.5. Các hệ thống truyền động cho hệ ổn định tần số ..................................... 24

CHƢƠNG 2

PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ

ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH TẦN SỐ


- 5 -


2.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ ĐB_KTVC ............................. 27

2.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ...................................... 30

2.3 Phƣơng trình của động cơ trong hệ tọa độ (a,b,c) ..................................... 32

2.4 Phƣơng trình động học của động cơ điện đồng bộ 3pha trên tọa độ các

vecto không gian ............................................................................................. 35

2.5. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ ĐB_KTVC. ... 42

CHƢƠNG 3

KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ

MÁY PHÁT DIESEL

3.2. Các vấn đề điều khiển ổn định tần số ...................................................... 46

3.1.1. Điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng (FOC) ...................................... 45

3.1.2. Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) ...................................................... 49

3.2. Thông số của hệ thống ............................................................................. 49

3.2.1. Động cơ PMSM .................................................................................... 49

3.2.2. Số liệu về biến tần 4Q ........................................................................... 49

3.3. Sơ đồ mô phỏng ....................................................................................... 51

3.3.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống ..................................................................... 51

3.3.2. Sơ đồ khối mạch động lực của hệ thống .............................................. 52

3.3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển biến tần .................................................... 52

3.3.4. Sơ đồ khối tính giá trị đặt dòng điện ..................................................... 53

3.3.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện ..................................................... 53

3.3.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển uDC .............................................................. 54

3.3.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men ........................................................ 54

3.3.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men ........................................................ 54

3.3.9. Sơ đồ khối bộ phát xung phía động cơ ................................................. 55


- 6 -


3.4. Các kết quả mô phỏng .............................................................................. 55

3.5. Nhận xét ................................................................................................... 60

3.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 62


- 7 -


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR ......................................... 15

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diesel ......................... 17

Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp ....................................................... 18

Hình 1.4: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) .................... 19

Hình 1.5: Đƣờng đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3). ........................... 20

Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ điều tốc máy phát Diesel ......................................... 21

Hình 1.7: Hệ thống điều khiển kín dùng Loadcell .......................................... 24

Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển kín dùng phản hồi số ..................................... 25

Hình 2.1. Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi ...... 30

Hình 2.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn ....... 30

Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha ............................................... 37

Hình 2.4 thiết lập các vector không gian từ các đại lƣợng pha ...................... 38

Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dƣới dạng vector không gian với các

phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định ......................................... 39

Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V ......................... 40

Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ .................................... 40

Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC .................................................. 42

Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBNCVC ............... 44

3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử dụng động

cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu .......................................................... 46

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC) ........................................................ 48

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý phần lực truyền động biến tần động cơ đồng bộ

kích từ nam châm vĩnh cửu .................................................................................


- 8 -


Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ

vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC ............................................. 51

Hình 3.5: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit ........................................... 52

Hình 3.6: Triển khai chi tiết INVERTER ....................................................... 52

Hình 3.7 Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER ........... 53

Hình 3.8. Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER ....... 53

Hình 3.9. Triển khai chi tiết khối SubSystem ................................................ 54

Hình 3.10: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem ....... 54

Hình 3.11: Triển khai chi tiết khối Momen controller trong SubSystem ....... 54

Hình 3.12: Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem ........................... 55

Hình 3.13:Đồ thị tốc độ của hệ điều khiển máy phát Diesel sử dụng ĐC đồng

bộ kích thích vĩnh cửu ..................................................................................... 55

Hình 3.14: Đồ thị mô men .............................................................................. 56

Hình 3.15: Đồ thị điện áp ra của chỉnh lƣu PWM .......................................... 56

Hình 3.16: Đồ thị dòng điện và điện áp khi xảy ra hãm tái sinh nđc nđb

(dòng và áp ngƣợc pha) ................................................................................... 57

Hình 3.17: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ khi tốc độ thay đổi ..... 57

Hình 3.18: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ khi tốc độ ổn định ...... 58

Hình 3.19: Đồ thị dòng điện isq ..................................................................... 58

Hình 3.20: Đồ thị dòng điện isd ...................................................................... 59


- 9 -


LỜI MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài.

Ở bất kì nƣớc nào, nguồn năng lƣợng điện luôn đƣợc coi là ngành công

nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó luôn thúc đẩy

các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả

và chi phí phải đƣợc coi trọng đặc biệt.

Máy phát Diesel đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện,

nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ vận tải thủy, vận tải bộ

và sử dụng ở nhƣng nơi cần có nguồn điện công suất lớn nhƣ trong các ngành

công nghiệp,và những nơi không có điện lƣới nhƣ ngoài đảo xa...

Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía

cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an toàn

và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp của hệ

thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là không thể

thiếu.

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

a. Ý nghĩa khoa học:

Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là một hệ điều khiển hiện đại cho

nên việc nghiên cứu nó là cần thiết. Từ đó có thể nắm vững lý thuyết về hệ

thống và ứng dụng hệ điều khiển các thiết bị thực tế.

b. Ý nghĩa thực tiễn:

Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là hệ điều khiển đƣợc ứng dụng

khá phổ biến trong thực tế. Việc tìm hiểu này giúp cho việc khai thác sử dụng

máy phát Diesel đƣợc hiệu quả nhất.

3. Mục đích nghiên cứu.


- 10 -


Mục đích của luận văn là nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống điều

khiển tần số máy phát Diesel sao cho hệ thống đạt tối ƣu và có tính vạn năng

nhát. Tính vạn năng đo là khi sử dụng máy phát Diesel cho bất kì lĩnh vực

điều kiện làm việc nào... cũng đều cho chất lƣợng nguồn điện phát ra ổn định

nhất để không gây hại cho các thiết bị sử dụng.

Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống truyền động tự động ổn định tấn số

máy phát Diesel trong cac lĩnh vực phổ biến.

Nghiên cứu để đề suất những phƣơng án truyền động chất lƣợng cao

cho hệ thống điều khiển tần số máy phát Diesel.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu.

- Nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu thực tế tại nơi sự dụng máy phát Diesel tại Việt Nam

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng dựa trên phần mềm matlab

simulink.

5. Nội dung nghiên cứu.

Nội dung luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng:

Chương 1: Tổng quan về máy phát Diesel

Chương 2: Phân tích và tổng hợp hệ truyền động biến tần động cơ điện

ĐB_KTVC ứng dụng cho điều chỉnh ổn định tần số.

Chương 3: Khảo sát chất lƣợng hệ điều khiển tần số máy phát Diesel

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Tạ Xuân Tùng


- 11 -


CHƢƠNG 1



- 12 -


CHƢƠNG 1


1.1. CÔNG DỤNG MÁY PHÁT DIESEL

Ở bất kì nƣớc nào, nguồn năng lƣợng điện luôn đƣợc coi là ngành công

nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó luôn thúc đẩy

các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả

và chi phí phải đƣợc coi trọng đặc biệt.

Máy phát Diesel đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, nó

đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ vận tải thủy, vận tải bộ và

sử dụng ở nhƣng nơi cần có nguồn điện công suất lớn nhƣ trong các ngành

công nghiệp,và những nơi không có điện lƣới nhƣ ngoài đảo xa...

Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía

cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an

toàn và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp

của hệ thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là

không thể thiếu.

1.2. CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

1.2.1. Đặt vấn đề

Tần số và điện áp là các chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lƣợng

điện năng.

- Điện áp: Trong quá trình vận hành điện áp bằng điện áp định mức cung

cấp cho phụ tải. Trong quá trình làm việc điện áp thay đổi làm cho các thiết bị

điện thay đổi chế độ làm việc. Ví dụ khi điện áp giảm trong mạng điện chiếu

sang sẽ làm giảm hiệu quả phát sáng của đèn chiếu sáng. Động cơ điện xoay


- 13 -


chiều cũng nhƣ động cơ điện một chiều khi điện áp giảm làm tốc độ động cơ

giảm. Khi điện áp giảm không đảm bảo điều kiện hòa vào lƣới điện.

- Tần số: Thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện. Khi tần số

giảm công suất cơ không đảm bảo. Cụ thể khi tần số giảm không đủ điều kiện

để hòa vào lƣới điện. Nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều khi tần số giảm

thì tốc độ của động cơ cũng giảm.

Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số và điện áp không đảm bảo sẽ

dẫn đến sự gia tăng chi phí vốn đầu tƣ, chi phí vận hành, giảm năng suất và

hiệu quả làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số và điện áp không chỉ

gây thiệt hại cho bản thân hệ thống điện mà cho tất cả các ngành kinh tế khác.

Vì vậy khi thiết kế vận hành cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo và nâng

cao chất lƣợng tần số và điện áp. Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng

ta nghiên cứu các hệ thống tự động ổn định.

Ổn định điện áp

- Chỉ tiêu của chất lượng điện áp

+ Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1

giây) so với giá trị định mức.

100.dm

dm

U

UUU % (1.1)

+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn

1% trong 1 giây)

dmU

UUU minmax .100% (1.2)

+ Độ không hình sin của dạng đƣờng cong điện áp

1

sinU

UKK .100% (1.3)


- 14 -


Trong đó: 2

2UU

U1: Điện áp thành phần cơ bản

Khi KKsin < 5% thì dạng của đƣờng cong điện áp đƣợc xem nhƣ là hình

sin. Khi xác định độ không hình sin của điện áp thƣờng chỉ cần tính đến song

bậc 1,3 là đủ.

+ Độ không đối xứng của điện áp

phadmU

UK 2

2 .100%=dm

o

c

o

B

o

A

U

aUUaU

3

2

.100% (1.4)

a = ej120

, a2 = e

j240

Nếu điện áp có K2 < 1% thì có thể xem thực tế nhƣ là đối xứng

+ Độ lệch trung tính

phadmU

UK 0

0 .100%=dm

o

c

o

B

o

A

U

UUU

3

//.100% (1.5)

Trong đó U0 điện áp thứ tự không.

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp

Nhƣ chúng ta đã biết muốn điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát

ngƣời ta thƣờng điều chỉnh dòng kích từ nhờ hệ thống tự động điều chỉnh điện

áp (hệ thống tự động điều chỉnh kích từ). Trong chế độ làm việc bình thƣờng

điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh đƣợc điện áp hai đầu cực của máy phát

thay đổi đƣợc lƣợng công suất phản kháng phát vào lƣới. Thiết bị tự động

điều chỉnh điện áp làm việc nhằm giữa điện áp không đổi (với độ chính xác

nào đó) khi phụ tải biến động. Ngoài ra thiết bị tự động điều chỉnh điện áp

còn nhằm nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ

thống, đảm bảo sự cố định tĩnh nâng cao sự cố định động.

Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn kích từ của

máy phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp với công


- 15 -


suất định mức đủ lớn. Thông thƣờng đòi hỏi công suất định mức của hệ thống

kích từ bằng (0.2 ÷0,6)% công suất định mức của máy phát.

Dòng kích từ chạy trong cuộn dây roto của máy phát điện là dòng điện

một chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ thống kích từ,

điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự động điều chỉnh

kích từ. Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bị điều chỉnh kích từ

có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lƣợng điều chỉnh điện áp mà

còn đến tính ổn định hệ thống.

Trong thực tế ngƣời ta có 4 phƣơng pháp để điều chỉnh dòng kích từ một

cách tự động đó là các phƣơng pháp sau:

- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

- Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp

- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành góp

- Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lƣu có điều khiển

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR

Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy

phát điện và so sánh nó với một điện áp tham chiếu. Nó phải đƣa ra những

mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữ điện áp đo

đƣợc và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất. Muốn thay đổi điện áp của máy phát

điện, ngƣời ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này. Điện áp tham chiếu

thƣờng đƣợc đặt tại giá trị định mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated)

hoặc là điện áp thanh cái, điện áp lƣới tại chế độ vận hành hòa lƣới (Paralled)

.


- 16 -


Hình 1.1:Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR

Mỗi hệ thống kích từ của máy phát đƣợc trang bị một bộ tự động điều

chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR). Bộ AVR đƣợc đấu nối

với các biến điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng

cắt máy phát. Bộ AVR đáp ứng đƣợc thành phần pha thứ tự thuận của điện áp

máy phát và không phụ thuộc vào tần số. Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số,

nhận tín hiệu đầu vào là điện áp 3 pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên

lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức

năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và hằng số dòng điện trƣờng.


- 17 -


Bộ AVR cơ bản gồm có một vòng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu

tích phân tải để đạt đƣợc sự ổn định tạm thời và ổn định động. Đo lƣờng điện

áp máy phát đƣợc thực hiện trên cả ba pha. Độ chính xác của điện áp điều

chỉnh nằm trong trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành

từ không tải tới đầy tải.

Một tín hiệu điều khiển từ bên ngoài đƣợc tác động vào bộ AVR để thay

đổi liên tục giá trị điều chỉnh mẫu mà không cần bất cứ một bộ phận quay

nào. Một mạch cản có thể đƣợc sử dụng để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên

ngoài, nếu cần thiết.

1.2.2. Ổn định tần số của máy phát điện

Nhƣ ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lƣợng điện năng của toàn

hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thƣờng, tần

số ở mọi điểm đều giống nhau. Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng

giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (máy phát Diesel) kéo

máy phát điện với phụ tải tác dụng của máy phát điện .

Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thƣờng:

T ptP P (1.6)

Trong đó: TP : Công suất của máy phát Diesel kéo máy phát.

ptP : Công suất của phụ tải điện.

: Tổn thất công suất tác dụng .

Mô men kéo của máy phát diesel.

. .T

QHM

(1.7)

Trong đó: : Hằng số

Q : Lƣu lƣợng nƣớc vào máy phát diesel

H : Độ chênh áp suất đầu và cuối máy phát diesel.


- 18 -


: Hiệu suất máy phát diesel

Để ổn định tần số máy phát điện có hai phƣơng pháp ổn định thứ cấp

và ổn định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lƣợt từng phƣơng pháp.

1.2.3. Ổn định tần số thứ cấp

Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đƣa

tần số về trị số định mức. Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho

tuabin. Nhờ cơ cấu đo lƣờng khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định

mức và phát tín hiệu điều khiển.

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diesel

Scav limiter

Fule Limiter

PID CON-

TROL

P/I DEC

C

IN

C

SCAV.AIR RE-

CEIVER

FUEL PUMP

DIESEL ENGINE

P/U

DEC

INC

ENGINE RPM CONTROL

UINT

PRM SIG-

NAL

SERVO

PANEL

GOV.ACTUA

TOR

SERVO

MOTOR

DRIVER

ACTUAL

ACT

POS.SIGNAL

(-

)

SERVO

MOTOR

REDUCTION

GEAR

PRM ORDER

SIGNAL


- 19 -


Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lƣờng đơn giản nhất phản ứng theo

độ lệch tức thời của tần số. Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện

kháng hoặc điện dung nối song song. Khi tần số hệ thống bằng định mức thì

dòng I1 và I2 bằng nhau. Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi

XL hoặc XC và dòng I1 và I2 sẽ khác nhau. Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ

lệch tần số mà góc pha của dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ

bộ tự động điều chỉnh tần số thứ cấp có thể phản ứng để đƣa ra tác động điều

chỉnh phù hợp.

- Sơ đồ bộ điều tần thứ cấp

Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp

BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số

F : Máy phát

CCĐ: Cơ cấu đo tần số

U

L

R

*

*

*

U1

U2

Uf

R1

R3

R2

+Ecc

-EccU1U2

UR ULI1

I2

a) b)

Hình 1.4: Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)


- 20 -


Sơ đồ cơ cấu đo tần số đƣợc thể hiện trên hình 1.3. Các tham số L và C

của bộ lọc tần BLT đƣợc chọn sao cho U1 = U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế

độ làm việc bình thƣờng với tần số định mức U thì UR = UL. Khi đó điện áp

đầu ra hai bộ chỉnh lƣu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật

toán bằng 0. Giá trị đƣa vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt. Khi tần số

lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi đó UL = jω.L.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn UR =

R.IR tuỳ thuộc vào tần số tăng hay giảm, làm cho giá trị ra khuếch đại thuật

toán Ur ≠ 0. Khi đó tín hiệu vào bộ điều chỉnh tần số không phải là gía trị đặt

nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1 lƣợng Ur, dẫn đến bộ điều chỉnh sẽ

tác động vào tuabin làm tần số trở về giá trị chuẩn.

1.2.3.2 Ổn định tần số sơ cấp

Sơ đồ hệ truyền động máy phát Diesel : Điều chỉnh tần số sơ cấp là điều

chỉnh trực tiếp tốc độ quay của tuabin thông qua bộ điều tốc. Một trong những

sơ đồ khối của hệ thống điều tốc máy phát điện Diesel đƣợc thể hiện nhƣ hình

vẽ. Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của rotor – máy

phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải.

Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc của máy phát điện

theo quan hệ

.

2 60

p nf

(1.8)

Trong đó:

p - Số đôi cực của máy phát điện

n - Số vòng quay của máy phát điện


- 21 -


Hình 1.5: Đường đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2

’,3).

Từ sơ đồ trên có thể viết sơ đồ khối bộ điều tốc cho máy phát Diesel nhƣ

hình vẽ sau:

φ

Hình 1.6: Sơ đồ khối bộ điều tốc máy phát Diesel

1.3. Các chỉ tiêu và thông số ổn định tần số

Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi

do tác động của con ngƣời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc

đƣợc đăc trƣng bởi một số thông số chủ yếu sau:

Bộ

Điều khiển

Cơ cấu

Điều tốc

Cảm biến

vị trí (P/U)

f

f’ Động cơ


- 22 -


Độ sai lệch

Độ sai lệch δ trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh

lệch giữa vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay

trung bình:

tb

Hkt

n

nn (1.9)

Trong đó:

nkt: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph

nH: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph

2

Hkttb

nnn vòng quay trung bình, v/ph

δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trƣng cho khả năng duy trì

vòng quay ban đầu, δ càng nhỏ chất lƣợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi

đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc

vuông góc với trục hoành (δ=0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh. Trong

trƣờng hợp đƣờng đặc tính điều tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh.

Độ rộng vùng không nhạy

Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc của động cơ thay đổi rất ít cũng làm

dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế do ảnh hƣởng lực ma sát trong

các cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển thủy lực nên khi vận tốc góc

thay đổi nhỏ, bộ điều tốc không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc

tƣơng ứng vùng không có phản ứng gọi là khu vực không nhạy. Chiều rộng

khu vực không nhạy thể hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc εkn:

cb

cbcb

kn

"'

2

"'

cbcb

cb

Trong đó, ω,cb, ω

”cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực

không nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.


- 23 -


Trong bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện làm

việc độc lập, độ không nhạy ảnh hƣởng không nhiều tới chất lƣợng làm việc

của động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ nhạy nhỏ cũng có thể gây

ra độ sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ

thống điều chỉnh có thể đƣợc xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu

vực không nhạy của động cơ.

Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai

thác động cơ và bảo dƣỡng. Với các động cơ làm việc song song mặc dù động

cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhƣng vùng không nhạy không hoàn toàn

giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.

Độ thay đổi vòng quay lớn nhất φ là tỉ số giữa biên độ dao động vòng

quay lớn nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng

quay định mức:

H

dd

H

dd

n

n (1.10)

Δndd (Δωdd) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong

quá trình chuyển tiếp.

Giá trị độ thay đổi vòng quay tƣơng đối lớn nhất φ phụ thuộc vào chất

lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định.

Độ không ổn định vòng quay tương đối

Độ không ổn định vòng quay tƣơng đối ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay

khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tƣơng đối

(định mức, không tải …)

H

s hay kt

s

Trong đó: Δωs: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định


- 24 -


ωH, ωkt: Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và

không tải)

Thời gian điều chỉnh

Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc

biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép.

Thời gian tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lƣợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ

thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định.

1.4. Các phƣơng án thiết kế

Từ những nguyên lý đo và làm việc hệ điều tốc máy phát Diesel (mục

2.2) thấy có 2 nguyên tắc điểu khiển ổn định tần số sơ cấp đó là:

- Điều khiển tƣơng tự.

- Điều khiển số.

1.4.1. Hệ điều khiển tƣơng tự

Có sơ đồ nhƣ hình vẽ:

Hình 1.7: Hệ thống điều khiển ổn định máy phát tương tự tần số

1.4.2. Hệ điều khiển số

Có sơ đồ khối nhƣ hình vẽ:


- 25 -


Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển số

1.5. Các hệ thống truyền động cho hệ ổn định tần số

Vì yêu cầu công nghệ của việc điều chỉnh tần số của máy phát điện và

thực chất là điều chỉnh bộ điều tốc, chúng ta có thể xem xét nghiên cứu các hệ

thống sau đây để lựa chọn các phƣơng án truyền động cho thích hợp.

- Hệ thống truyền động TĐ. Với hệ thống này chúng ta có thể thiết kế để

thỏa mãn đƣợc yêu cầu truyền động ổn định tần số. Hệ thống này cũng đang

đƣợc sử dụng trong công nghiệp, song với yêu cầu của hệ ổn định tần số nó

có nhƣợc điểm sau:

1) Mặt điều khiển rất phức tap, thông thƣờng hệ truyền động đƣợc ứng

dụng cho công suất lớn (hệ trong hệ ổn định tần số công suất nhỏ).

2) Xung điện áp động cơ điện một chiều.

Hệ thống này so với hệ thống truyền động có nhiều ƣu điểm hơn, nhƣng

so với yêu cầu truyền động ổn định tần số máy Dicsel thì hệ thống này cũng

vấp phải một số nhƣợc điểm sau:

- Công suất lớn

- Thiết bị khó mua

MP

M_

Bộ điều

khiển vị trí

Máy phát

U

U

A

D

A

D

Động

cơ

M_

Bộ

ĐK

tốc độ

M_

Cơ cấu

điều tốc

Cảm biến vị trí

n


- 26 -


3) Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện đồng bộ roto nam châm

vĩnh cửu.

- Ƣu điểm của hệ thống này, ngoài việc thiết kế thỏa mãn truyền động ổn

định tần số thì thiết bị vật tƣ dễ mua và động cơ làm việc an toàn, chắc chắn.

=> Với ba phƣơng án ở trên thì phƣơng án ba hợp lý nhất cho nên trong

luận văn ta chọn phƣơng án ba.


- 27 -


CHƢƠNG 2

PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN

ĐC ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN

ĐỊNH TẦN SỐ


- 28 -


CHƢƠNG 2

PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐC

ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH TẦN SỐ

2.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ ĐB_KTVC

Để biến đổi điện năng thành cơ năng thì động cơ điện đồng bộ là một

trong những thiết bị điện đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ bap ha ngày nay

đƣợc sử dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm W đến hang trăm MW.

Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động. Ở giải công suất

lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ƣu thế. Tuy vậy ở công suất nhỏ và vừa

nó phải cạnh tranh với truyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một

chiều. Ngày nay truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng đƣợc chú ý

nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ.

Đặc biệt các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đƣợc sử dụng rộng

rãi trong các truyền động secvô công suất nhỏ máy công cụ(thí dụ động cơ

trục chính, truyền động vị trí,…) và trong kỹ thuật robot.

Động cơ đồng bộ do có những ƣu điểm nhất định khi so sánh với động

cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động. Động cơ đồng bộ đƣợc kích

thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosφ = 1, không cần

lấy công suất phản kháng từ lƣới điện. Hệ số công suất của lƣới điện đƣợc

nâng lên, giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đƣờng dây. So với hệ

truyền động động cơ không đông bộ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

không gây tổn hao đồng ở rotor do đó hiệu suất cao. Do tổn thất đồng và tổn

thất sắt thấp tập trung ở stator nên việc làm mát cũng thuận tiện hơn. Do hiệu

suất cao nên cho phép giảm đƣợc kích thƣớc, đặc tính của máy có thể thay đổi

rất nhiều tùy thuộc vào loại nam châm và cách bố trí chúng trên rotor. So với


- 29 -


động cơ một chiều, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần vành

trƣợt và chổi than cho nên đơn giản dễ chế tạo, giá thành hạ làm việc tin cậy,

ít phải bảo dƣỡng. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu còn có khả năng làm

việc với tốc độ rất thấp và rất cao là những vùng tốc độ mà truyền động động

cơ một chiều khó đạt đƣợc.

Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có ƣu điểm của cả hai loại

động cơ một chiều và động cơ xoay chiều không đồng bộ và còn hơn thế nữa,

nó có sự tách biệt giữa phần cảm và phần ứng nên dễ dàng trong điều chỉnh

tốc độ và momen

Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng cho truyền động

máy công cụ, tay máy và robot phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

- Mật độ từ thong khe hở không khí cao.

- Tỷ số “công suất/trọng lƣợng” cao (công suất lớn nhất có thể/khối

lƣợng động cơ)

- Tỷ số “moment/quán tính” lớn (để đạt đƣợc gia tốc lớn)

- Moment đều (đập mạch moment nhỏ) ngay cả khi tốc độ rất thấp (để

đạt đƣợc độ chính xác cao về vị trí)

- Có thể điều khiển đƣợc moment mở máy

- Tốc độ vận hành cao

- Có khả năng sinh moment lớn (thời gian tang tốc, giảm tốc ngắn)

- Hiệu suất cao và hệ số cosphi cao

- Cấu trúc vững chắc

Có thể thỏa mãn các yêu cầu này bằng sử dụng điều khỉển vector các

máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu.


- 30 -


*. Nguyên lý làm việc:

ĐCĐBNCVC làm việc dựa trên sự tƣơng tác giữa từ trƣờng quay của

cuộn stator và từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên. Khi số

đôi cực của từ trƣờng stator và rotor nhƣ nhau, vận tốc quay của các từ trƣờng

bằng nhau (chế độ đồng bộ) thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực tù của

stator và rotor và hình thành momen điện từ. Động cơ khởi động dƣới tác

dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tƣơng tác giữa từ trƣờng

rotor và dòng điện trong dây quấn stator. Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ, nhờ

tác dụng từ trƣờng quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor đƣợc kéo

vào đồng bộ.

Động cơ đông bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có

nhiều ƣu điểm hơn so với động cơ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ. Chỉ

số năng lƣợng (cosφ, η) cao hơn, trọng lƣợng và kích thƣớc của máy bé hơn

khi có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn.

2.2. Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Máy điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có kết cấu phía stator

giống ĐCKĐB: Đó là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cung cấp điện bap ha.

Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator se tạo ra

dòng stator, gây nên điện áp cảm ứng phía rotor và xuất hiện dòng rotor.

Dòng phía stator có tác dụng tạo nên từ thong stator, rotor và đó chính là

nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện. Điều kiện để xảy ra cảm ứng

và tạo đƣợc moment là tồn tại một “sự trƣợt” nhất định giữa chuyển động

quay của rotor và của vecto từ thông stator, đấy là nguyên tắc hoạt động của

ĐCKĐB còn máy điện đồng bộ bap pha kích thích vĩnh cửu có một hệ thống

nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt. Nghĩa là: từ thông luôn luôn tồn tại,


- 31 -


không còn nhu cầu trƣợt tốc độ để cảm ứng từ stator sang rotor nữa và máy

điện hoạt động hoàn toàn đồng bộ.

Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đƣợc minh họa hình 2.1

và hình 2.2 dƣới đây:

Hình 2.1. Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi

Rotor

Cuộn dây pha V

q

usv

isv

usv

isv

Stator

usv

isv

d

Trục chuẩn

Cuộn dây

pha U

Rotor

Cuộn dây pha V

q

usv

isv

usw

isw

Stator

usv

isv

d

Trục chuẩn

Cuộn dây

pha U

Cuộn dây

pha W

Hình 2.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn


- 32 -


Sự khác nhau cơ bản giữa ĐCKĐB và ĐCĐB là sự khác nhau trong

phƣơng thức sản sinh ra từ thông rotor. Từ thông rotor của ĐCKĐB đƣợc tạo

nên bởi dòng kích từ isd, một thành phần của dòng stator, còn từ thông rotor

của ĐCĐB hoặc đƣợc tạo nên bởi cuộn kích thích biệt lập với các cuộn dây

stator, hoặc bởi các phiến nam châm vĩnh cửu bố trí đều đặn trên bề mặt rotor,

vì lý dó đó dòng điện stator chỉ còn chứa dòng tạo moment quay isv và không

còn dòng kích từ isv nữa. ĐCĐB sử dụng cuộn kích từ biệt lập có cấu trúc cơ

học hình 2.1(còn đƣợc gọi là ĐCĐB cực lồi), loại kích thích bởi nam châm

vĩnh cửu hình 2.2 (còn đƣợc gọi là ĐCĐB cực tròn hay ẩn).

Qua mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ta thấy: từ thông rotor

luôn phân cực, có hƣớng nhất quán và cố định. Tính định hƣớng nhất quán ấy

chỉ phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của máy điện và làm đơn giản đi rất nhiều

việc xây dựng mô hình điều khiển động cơ.

Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách ƣớc lƣợng biên độ từ thông rotor thì

ở ĐCĐB biên độ đó đã đƣợc biết trƣớc.

Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách tính góc pha của từ thông rotor để

có thể điều chỉnh điều khiển tựa theo nó, thì ở ĐCĐB góc pha ban đầu đã

đƣợc biết trƣớc và do đó có thể lien tục đƣợc theo dõi chính xác bằng máy đo

tốc độ quay rotor. Hình 2.1 và hình 2.2 cho phép áp dụng ngay một cách

thuận lợi các phƣơng pháp điều chỉnh trên tọa độ dq mà không cần quan tâm

đến tọa độ α,β nữa. Hệ thống kích thích bởi nam châm vĩnh cửu có thể đƣợc

thay thế trong tính toán bằng một hệ thống kích thích bởi cuộn kích và dòng

kích tƣơng ứng nào đó, điều đó cho phép ta chỉ cần xét đến loại ĐCĐB nam

châm vĩnh cửu cực tròn và đầy đủ.


- 33 -


2.3. Phƣơng trình của động cơ trong hệ tọa độ (a,b,c)

Phƣơng pháp điện áp:

Sử dụng định luật Kirhoff 2, chúng ta có 3 phƣơng trình vi phân.

Trƣờng hợp riêng cho từng dây quấn stator, các phƣơng trình cân bằng điện

áp nhƣ sau:

Uas = Rsias + dt

d as (2.1)

Ubs = Rsibs + dt

d bs (2.2)

Ucs = Rsics + dt

d cs

Trong đó các từ thông ψas, ψbs, ψcs đƣợc xác định nhƣ sau:

ψas = Lasas i as + Lasbs i bs + Lascs i cs + ψasm (2.3)

ψbs = Lbsas i as + Lbsbs i bs + Lbscs i cs + ψbsm (2.4)

ψcs = Lcsas i as + Lcsbs i bs + Lcscs i cs + ψcsm (2.5)

Viết dƣới dạng ma trận nhƣ sau:

Uabcs = rSiabcs + dt

d abcs (2.6)

cs

bs

as

U

U

U

=

s

s

s

r

r

r

00

00

00

cs

bs

as

i

i

i

+

dt

d

dt

d

dt

d

cs

bs

as

(2.7)

Các dây quấn stator lệch nhau góc 120o và từ thông ψasm, ψbsm, ψcsm đƣợc

tạo ra do nam châm vĩnh cửu có dạng hàm tuần hoàn của góc dời rotor θr, giả

sử theo luật hình sin, biên độ từ thông ψm đƣợc tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu,

ta có:


- 34 -


ψasm = ψm sin θr

ψbsm = ψm sin (θr - 3

2π) (2.8)

ψcsm = ψm sin (θr + 3

2π)

Trong đó:

θr: độ dời góc rotor

ψm: biên độ từ thông tạo ra bởi NCVC

Phƣơng trình từ thông

bsrmmasrmisas i3

12cosLL

2

1i2cosLLL

+ rmcsrmm sini3

12cosLL

2

1

csrmmbs i3

12cosLL

2

1+ bsrmmis i

3

22cosLLL

+ 3

2sini2cosLL

2

1rmcsrmm (2.9)

csrmmcs i3

12cosLL

2

1+ bsrmm i2cosLL

2

1

+ 3

2sini

3

22cosLLL rmcsrmmis

Viết vector từ thông dƣới dạng ma trận:

abcs = Lsiabcs + m =

3

22cosLLL2cosLL

2

1

3

12cosLL

2

1

2cosLL3

1

3

22cosLLL

3

12cosLL

2

1

3

12cosLL

3

1

3

12cosLL

2

1cosLLL

rmmisrmmrmm

rmmrmmisrmm

rmmrmmrmmis


- 35 -


3

2sin

3

2sin

sin

i

i

i

r

r

r

cs

bs

as

(2.10)

Ma trận điện cảm stator Ls nhƣ sau:

3

22cosLLL2cosLL

2

1

3

12cosLL

2

1

2cosLL3

1

3

22cosLLL

3

12cosLL

2

1

3

12cosLL

3

1

3

12cosLL

2

1cosLLL

L

rmmisrmmrmm

rmmrmmisrmm

rmmrmmrmmis

s(2.11)

Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rotor hình tròn vậy đƣờng

sức từ theo các trục d, q giống nhau, ta có: Rmq = Rmd

Vì vậy: md

2

s

mq

2

sm

R3

N2

R3

N2L và L m = 0

Ma trận Ls trở thành

mismm

mmism

mmmis

s

LLL2

1L

2

1

L2

1LLL

2

1

L2

1L

2

1LL

L (2.12)

và từ thông đƣợc diễn tả nhƣ sau:

rmcsmasmisas siniL2

1iLL

3

2siniL

2

1iLLiL

2

1rmcsmbsmisasmbs (2.13)

3

2sin

2

1

2

1rmcsmisbsmasmcs iLLiLiL


- 36 -


hoặc là: abcs = Lsiabcs + m =

mismm

mmism

mmmis

LLL2

1L

2

1

L2

1LLL

2

1

L2

1L

2

1LL

3

2sin

3

2sin

sin

i

i

i

r

r

r

cs

bs

as

(2.14)

Từ đó ta có phƣơng trình cân bằng điện áp dƣới dạng vectơ nhƣ sau:

Uabcs = rsiabcs + di abcs /dt (2.15)

Uabcs = rsiabcs + Ls diabcs /dt + d m/dt

Ở đây:

3

2cos

3

2cos

cos

dt

d

rr

rr

rr

mm (2.16)

Bằng cách dùng ma trận đảo L 1

s biến đổi phƣơng trình trên ta đƣợc:

abcs

1

sm1

sabcss

1

sabcs UL

dt

dLirL

dt

di (2.17)

Trong đó: Lss = Lis + mL

2

m

2

ss

2

mmss

2

mmss

2

mmss

2

m

2

ss

2

mmss

2

mmss

2

mmss

2

m

2

ss

3

mm

2

ss

2

ss

1

s

LL4LLL2LLL2

LLL2LL4LLL2

LLL2LLL2LL4

L4

1LL

4

3L

1L

Phƣơng trình động học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

2.4. Phƣơng trình động học của động cơ điện đồng bộ 3 pha trên tọa độ

các vecto không gian

* Xây dựng vector không gian


- 37 -


ĐCXCBP – Dù là ĐCKĐB hay ĐCĐB – đều có ba cuộn dây stator với

dòng điện bap ha, bố trí không gian nhƣ hình vẽ:

Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha

Ta không cần quan tâm đến việc động cơ có đƣợc đấu theo hình sao hay

tam giác, ba dòng điện isu, isv và isw là ba dòng chảy từ lƣới qua đầu nối vào

động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.

Ba dòng điện đó thỏa mãn phƣơng trình:

isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 (2.18)

trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau đây:

isu(t) = is|cos(wst) (2.19a)

isv(t) = is|cos(wst + 1200) (2.19b)

isw(t) = is|cos(wst + 2400 (2.19c)

Một cách lý tƣởng thì ba cuộn dây của ĐCXCBP đặt lệch nhau một góc

1200 trên mặt cắt ngang. Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục tọa độ

phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể dựng vector

không gian sau đây:

is(t)= 3

2[ isv(t)e

j120 +

isw(t)e

j240 ] = |i-s|e

jγ (2.20)

Rotor Rotor

Stator

Pha U Pha V Pha W

isw isu isv


- 38 -


Theo công thức (2.20), vector i-s(t) là vector có mudul không đổi quay

trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ ωs và tạo với trục thực (đi qua trục

cuộn dây pha u) một góc γ = ωs(t) (fs là tần số mạch Stator). Việc xây dựng

vector is(t) đƣợc mô tả nhƣ sau:

Hình 2.4 thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha

Qua hình 2.4 ta thấy rằng các dòng điện pha chính là hình chiếu của vec-

tor mới thu đƣợc lên trục cuộn dây pha đó. Đối với các đại lƣợng khác của

động cơ điện áp Stator, dòng Rotor, từ thông Stator hoặc Rotor ta đều có thể

xây dựng các vector không gian tƣơng ứng nhƣ đối với dòng điện kể trên. Ta

đặt tên cho trục thực của mặt phẳng nói trên là α và trục ảo là β. Ta hãy quan

sát hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó. Hình chiếu hai trục

đó đƣợc đặt tên là isα và isβ.

Im

u v

w

is(t)

Re


- 39 -


Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các

phần tử isα và isβ. Thuộc hệ tọa độ Stator cố định

Hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin. Ta có thể hình dung ra một

động cơ điện tƣơng ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho ba cuộn

dây u,v,w. Trên cơ sở công thức (2.18) kèm theo điều kiện điểm trung tính

của 3 cuộn dây Stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện Stator

là ta đã có đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong công thức

(2.19). Công thức (2.19) chỉ dùng khi trục cuộn dây pha u đƣợc chọn làm trục

quy chiếu chuẩn nhƣ trong hình 2.5. Điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá

trình xây dựng hệ thống điều khiển điều chỉnh sau này:

isα = isu

isβ = 3

1( isu + 2isv) (2.21)

Tƣơng tự đối với vector dòng Stator các vector điện áp Stator, dòng Ro-

tor, từ thông Stator và Rotor đều đƣợc biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ tọa

độ Stator:

jβ

isβ

Cuộn dây

pha V

Cuộn dây

pha W

Cuộn dây pha U

120o

isV

120o isU = is,,,,,

isS 120o

isw


- 40 -


is = isα + j.isβ

us = usα + j.usβ

ir = irα + j.irβ (2.22)

ψr = ψrα + j.ψrβ

ψs = ψsα + j.ψsβ

* Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian.

Mục đích của ta ở đây là đƣa cách quan sát các đại lƣợng vector trên hệ

tọa độ Stator cố định về quan sát trên hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông

Stator

Xét hệ tọa độ tổng quát xy và hình dung có một hệ tọa độ khác x*y

* có

chung điểm gốc nằm lệch đi một góc * so với hệ xy.

Quan sát một góc V bất kỳ ta thu đƣợc:

Trên hệ xy: Vxy

= c + jy (2.23)

Trên hệ x*y

*: V

* = x

* + jy

* (2.24)

Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

Từ hình 2.6, ta có:

x* = x cos

* + ysin

* (2.25a)

y* = x sin

* + ycos

* (2.25b)

Thay (2.25a) và (2.25b) vào (2.23) và (2.24) ta đƣợc:

V* = (x cos

* + y sin

*) + j(x sin

*+ y cos

*)

(2.26a)

V

jy*

jy

y*

x*

x

*

x

x*

dt

d **


- 41 -


= (x =jy) (cos* - j sin *

*) =

V

xy *je (2.27b)

Một cách tổng quát ta thu đƣợc từ (2.27a) và (2.27b) công thức chuyển

hệ tọa độ sau đây: Vxy

= V* *je V

*=V

xy *je (2.28)

Hai hệ tọa độ xy và x*y

* đƣợc coi là cố định hay góc lệch pha

* giữa

chúng là không đổi. Tuy nhiên trong thực tế * có thể là một góc biến thiên

với tốc độ góc * = d

*/dt. Trong trƣờng hợp đó hệ tọa độ x

*y

* là hệ tọa độ

quay tròn với tốc độ góc * xung quanh điểm gốc của hệ tọa độ xy.

Bây giờ giả sử ta quan sát ĐCXCBP đang quay với tốc độ góc =

d /dt, trong đó là góc tạo bởi trục Rotor và trục chuẩn (đi qua trục cuộn dây

pha u). Ta mô tả vector dòng Stator is và vector từ thông Rotor r với modul

và góc pha ngẫu nhiên. Vector từ thông quay với tốc độ góc s = 2 fs =

d s/dt. Trong đó fs là tần số mạch điện Stator.

Ta thấy ở hình dƣới đây sự chênh lệch giữa và s sẽ tạo nên dòng Ro-

tor với tần số fs, dòng đó cũng đƣợc biểu diễn dƣới dạng vector ir quay với tốc

độ góc s = 2 fs .

Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ

từ thông Rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq

jq

j

d

s

Cuộn dây

pha w

rotor

is

Cuộn dây

pha U

s

Trục rotor

Trục từ thông rotor

js

Cuộn dây

pha V

jsq


- 42 -


Mô hình của máy điện đồng bộ - kích thích vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC)

cũng đƣợc xây dựng xuất phát từ giả thiết coi máy điện có kết cấu tròn đối

xứng. Các đại lƣợng xoay chiều ba pha đã đƣợc biểu diễn dƣới dạng vector và

chuyển sang hệ tọa độ từ thông dq, đồng thời cũng là hệ tọa độ cố định trên

Rotor. Vì vậy có thể xuất phát từ sơ đồ thay thế một pha ở hình 2.8 dƣới đây:

f

sU

Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC

Từ sơ đồ thay thế ta viết đƣợc các phƣơng trình sau:

- Phƣơng trình điện áp Stator

f

ss

t

df

ss

f

s ψiωdt

dψiRU (2.29)

- Phƣơng trình từ thông

f

p

f

ss

f

s ψiLψ (2.30)

Viết lại dƣới dạng thành phần và sau vài lần biến đổi ta có hệ phƣơng

trình:

sq

p

ssq

sd

sq

sq

sd

sq

sds

sd

sd

sq

sd

sq

ssd

sd

Lu

Li

Ti

L

L

uL

iL

Li

T

11

dt

di

11

dt

di

sd

sd

(2.31)

Với phƣơng trình từ thông:

j p

Lsdq Rs


- 43 -


sqsqsd

psdsdsd

iLψ

ψiLψ (2.32)

Trong đó:

+ Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực

+ Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực

+ p từ thông cực (vĩnh cửu)

+ Tsd = s

sd

R

L hằng số thời gian Statorr tại vị trí đỉnh cực (trục d)

+ Tsd = s

sd

R

L hằng số thời gian Statorr tại vị trí đỉnh cực (trục q)

Phƣơng trình momen của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:

Mm = 2

3zP( sdisq - sqisd) =

2

3zp[ sdisq + isdisq (Lsd - Lsq)] (2.33)

Khi chúng ta chọn động cơ ĐB_KTVC nếu là cực ẩn thì có Lsd ≈ Lsq vì

vậy mô men của động cơ còn lại là:

Mm = 2

3zP. sdisq (2.34)

2.5. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động cơ ĐB_KTVC

Trong sơ đồ điều khiển vector động cơ ĐB_KTVC các đại lƣợng điều

khiển đƣợc thực hiện trong tọa độ d và q. Sau đó đƣợc biến đổi thành các đại

lƣợng điện 3 pha để điều khiển biến tần cung cấp cho động cơ. Với động cơ

ĐB_KTVC sau khi chuyển đổi trục d và q thì thành phần id trên trục d sẽ

bằng không.

Từ công thức tính momen (2-34) và cách đặt vấn đề điều khiển vector

của hệ thống này chúng ta có thể xây dựng sơ đồ truyền động điều khiển vec-

tor biến tần động cơ ĐB_KTVC nhƣ hình vẽ sau:


- 44 -


sd

Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBNCVC

Ghi chú:

Trong sơ đồ này có Ri1 và Ri2 : hai bộ điều chỉnh dòng điện trong 2 mạch

vòng phản hồi id và id . Mạch vòng phản hồi âm tốc độ (phản hồi âm tần số

với bộ điều chỉnh Rω)

Lƣợng đặt tần số: ω*

Lƣợng ra của Rω là lƣợng đầu vào của bộ điều chỉnh dòng điện Ri2 của

thành phần dòng điện iq.

Nguyên lý làm việc

Trong sơ đồ này thành phần id = 0 và thành phần này tƣơng ứng để tạo

ra từ thông rotor nhƣng vì động cơ đƣợc dùng là động cơ ĐB_KTVC cho nên

thành phần từ thông ψp không đổi cho nên ta không xét. Coi nhƣ mạch vòng

đã đƣợc ổn định.

R

di/di

Ri2

Ri1

3

2

PWA

*

iđ

iq

Pp

3

2

PMSM PMSM

i

iβ

R


- 45 -


Vậy với lƣợng đặt ω*

thì ta có(với một tần số đặt là f xác định) khi tốc

độ thay đổi thì đầu vào của Rω = k(ω* - ω) thay đổi dẫn tới đầu vào của Ri2 sẽ

thay đổi làm cho Uq thay đổi. Nhƣ vậy chúng ta thấy với hệ thống thiết kế nhƣ

trên khi tốc độ động cơ thay đổi dẫn tới tần số biến tần và momen động cơ sẽ

thay đổi làm cho hệ thống vừa ổn định đƣợc tần số và momen.


- 46 -


CHƢƠNG 3

KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN

TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL


- 47 -


CHƢƠNG 3

KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ

MÁY PHÁT DIESEL

3.1. Các vấn đề điều khiển ổn định tần số

Tƣơng tự nhƣ các hệ truyền động điện biến tần - động cơ không đồng

bộ, hệ truyền động điện biến tần - động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh

cửu cho Máy phát Diesel có thể sử dụng hai phƣơng pháp điều khiển sau:

3.1.1. Điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng (FOC)

Điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng còn gọi là điều khiển vectơ, có

thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nguyên lý điều

khiển vectơ dựa trên ý tƣởng điều khiển vectơ động cơ đồng bộ tƣơng tự nhƣ

điều khiển động cơ một chiều.

Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử

dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

3

2

iS

iS

iSd

iSq MHD

i*

Sq

ĐCD

CTĐU

CTĐi

3

NL

U

PMSM

FT

uS

uS

uSd

uSq Se

Se

S

iSd

ucđ

ĐCVTKG

a b c

iSa

iSc

+ -


- 48 -


Phƣơng pháp này đáp ứng đƣợc yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong

quá trình quá độ cũng nhƣ chất lƣợng điều khiển tối ƣu mômen. Việc điều

khiển vectơ dựa trên định hƣớng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều

khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ

thông và mômen động cơ. Kênh điều khiển mômen thƣờng gồm một mạch

vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện

sinh mômen. Kênh điều khiển từ thông thƣờng gồm một mạch vòng điều

chỉnh dòng điện sinh từ thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ

đồng bộ có thể tạo đƣợc các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh đƣợc

với động cơ một chiều.

Đối với các hệ truyền động biến tần-động cơ xoay chiều thì cấu trúc

điều khiển vector tựa theo từ thông rotor là một trong những cấu trúc điều

khiển hiện đại nhất. Cấu trúc của hệ truyền động nhƣ hình 3.1. Trong sơ đồ

hình 3.1, phần lực gồm có động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (IPM)

và bô nghịch lƣu (NL). Phần điều khiển gồm các khối chủ yếu: các sensor đo

dòng 2 pha động cơ isa và isb, máy đo tốc độ quay của động cơ; khâu chuyển

đổi dòng 3 pha thành 2 pha tƣơng đƣơng is , is ; khâu biến đổi toạ độ -

d-q đối với dòng điện (CTĐi) và khâu biến đổi toạ độ d-q - đối với điện

áp (CTĐu); khâu MHD dùng để tính góc lệch giữa véc tơ từ thông rotor với

trục chuẩn (góc e); khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) dùng để tính các thành phần

theo trục d và q của điện áp cần đối với cho động cơ (usd và usq); khâu điều

chế vector không gian dùng để tính thời gian làm việc của các khoá IGBT của

khối nghịch lƣu (ta, tb, tc); * là giá trị đặt của tốc độ góc; *

sdi là giá trị đặt

thành phần theo trục d của dòng điện, đây là thành phần tạo ra từ thông rotor

và ở đây đƣợc chọn bằng hằng số.


- 49 -


3.1.2. Điều khiển trực tiếp mômen (DTC)

Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ đồng ba pha là phƣơng pháp

điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ là đại lƣợng điều khiển gián

tiếp. Nội dung phƣơng pháp dựa trên tác động trực tiếp của các vec tơ điện áp

lên vectơ từ thông móc vòng stator. Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông

stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ. Các vec tơ

điện áp đƣợc chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông stator và momen điện từ

với các giá trị đặt. Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và mô men

điện từ, một vectơ điện áp tối ƣu đã định trƣớc đƣợc chọn để điều chỉnh đại

lƣợng về đúng với lƣợng đặt. Đây là phƣơng pháp điều khiển đơn giản, ít phụ

thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng momen nhanh, linh hoạt.

Trong hệ truyền động điện biến tần - động cơ đồng bộ kích từ nam

châm vĩnh cửu cho thang máy lựa chọn sử dụng phƣơng pháp điều khiển trực

tiếp mô men động cơ đồng bộ với sơ đồ khối nhƣ trên hình 3.2.

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam

châm vĩnh cửu IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC)

CLPWM NL PMSM LL

C

3 p

ha

Udc

Scla,b,c SNla,b,c

Điều khiển

chỉnh lƣu

PWM

Điều khiển

nghịch lƣu

ĐKNL ĐKCL

FT

BD


- 50 -


3.2. Thông số của hệ thống

3.2.1. Động cơ PMSM

Thông số động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM) của

Siemens loại FT6.

Công suất P = 4.5 kW

Điện cảm Stator : Ls = 5,4 mH

Điện trở Stator: Rs = 0,47

Số đôi cực: Zp = 1

Tần số: fs = 50 Hz

Tốc độ quay danh định: n_N = 3000 vong/phut

Tốc độ quay tối đa: n_max = 4500 vong/phut

Momen quán tính: J = 0,0069 kgm2

Momen danh định: m_M = 26,5 Nm

Dòng danh định: I_N = 10,9 A

3.2.2. Số liệu về biến tần 4Q

- Thông số nguồn vào khối chỉnh lƣu: U = 220/380V, f = 50Hz;

- Phần một chiều của biến tần PWM: Udc = 650V, Idc = 15A

- Thông số đầu ra của biến tần: U max = 311(V).2202U2 ,

f = (5 50) Hz

- Chọn IGBT là loại BUS622

- Tính chọn tụ : ndc

g

3 M.IC

4 . V

Trong đó : M = 0.57 là tỷ số điều chế

gV là sai lệch điện áp một chiều (

gV <10% Udc = 650V),

ta chọn gV =50V


- 51 -


In=15A là dòng một chiều

Vậy Cdc = 0.00023F

- Tính chọn cuộn cảm L : Cuộn cảm lọc đầu vào đƣợc tính theo công

thức: L<LD

mdc

i

Eu

.

22

trong đó Udc chọn là 650V, Em = 2400x , = 100 và iLD

= 15A. Lúc đó L<0,0067H. Chọn giá trị cuộn cảm đầu vào là 3,5mH.

Mô hình mạch động lực đƣợc mô tả chi tiết trên hình 3.3.

gồm: nguồn cung cấp ba pha cấp cho mạch chỉnh lƣu PWM dùng phần tử

đóng cắt IGBT tạo ra đƣợc nguồn một chiều. Nguồn một chiều này sẽ cấp cho

mạch nghịch lƣu cũng dùng phần tử đóng cắt điều khiển hoàn toàn IGBT để

tạo ra nguồn xoay chiều cấp nguồn cho động cơ dẫn động cho thang máy hoạt

động theo mong muốn nhờ phƣơng pháp điều khiển VOC-DTC. Ngƣợc lại

khi động cơ thực hiện quá trình hãm tái sinh thì mạch nghịch lƣu làm việc ở

chế độ chỉnh lƣu tức là biến đổi năng lƣợng dƣ thừa từ động cơ thành nguồn

một chiều và mạch chỉnh lƣu sẽ hoạt động ở chế độ nghịch lƣu tức là biến đổi

nguồn một chiều tạo thành điện áp xoay chiều ba pha trả về lƣới.

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý phần lực truyền động biến tần động cơ đồng bộ

kích từ nam châm vĩnh cửu

uL

PMSM

uL


- 52 -


3.3. Sơ đồ mô phỏng

3.3.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống

Trong hệ thống này sử dụng điều khiển chỉnh lƣu PWM là phƣơng pháp

VOC, còn phần nghịch lƣu sử dụng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men

(DTC). Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng phần mềm PLECS chạy trong

MATLAB, đƣợc biểu diễn trên hình 3.7:

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha

kích từ vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC

wm

650

v_dc_ref

us_ab

ula

isd*

iabc_v

iabc

i_d

Vd

Tm1

TmT2

T1

T

Udc

Udc*

iabc_L

u_ab

u_bc

pulses-re

Subsystem

Speed

Reference1

Speed

Reference

M

Isd*

w*

Iabc

w

Udc

Inv erter

INVERTER

-K-

Gain

Rectif ier

Inv erter

Tm

i_v si

i_d

v _d

is_abc

m

uLa

u_ab

u_bc

usab

PLECS

Circuit

Circuit


- 53 -


3.3.2. Sơ đồ khối mạch động lực của hệ thống

3.3.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển biến tần

Hình 3.5: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit

V: 250

w : 2*pi*50

Rectif ier

1A

A

A

i_vsi

1

L: 0.015

A

i_d

2

2-Level

IGBT

Converter

V

v_d

3

C1

2-Level

IGBT

Converter1

Inverter

2

A

A

A

is_abc

4

m 5Tm

3

uLa

6

V

V

V

u_ab

7

u_bc

8

V

usab

9

Tm m

PMSM

1

Inverter

isq

isd

dq

ab

dq -> ab

1/z

1/z

750

Udc1

Omega

theta

Omega_e

Tinh goc

x isq*r

Speed

Controlleru_alpha

u_beta

u_dc

s

PWM

isd*

isq*

isd

isq

omega_e

Udc

usd

usq

Current Controller

3ph->RRF

5

Udc

4

w

3

Iabc

2

w*

1

Isd*

Hình 3.6: Triển khai chi tiết INVERTER


- 54 -


x(k-1)x(k)

isqs(k)

isqsr(k)

isqs(k-1)1

isq*r

z

1

z

1

z

1

-K-

V

D1

x

3.3.4. Sơ đồ khối tính giá trị đặt dòng điện

3.3.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện

Hình 3.7: Triển khai chi tiết khối Speed controller

trong INVERTER

1/sqrt(3)

2

usq

1

usd

isds

isqs

isd

isq

Omega_e

usdr

usqr

usd

usq

Subsystem

d

q

lim

dlim

qlim

Output correct

phase limitation

-K-6

Udc

5

omega_e

4

isq

3

isd

2

isq*

1

isd*

usd

usq

Hình 3.8: Triển khai chi tiết khối Current controller trong

INVERTER


- 55 -


3.3.6. Sơ đồ khối bộ phát xung phía nguồn

3.3.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển uDC

3.3.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men

Hình 3.9: Triển khai chi tiết khối SubSystem

1

pulses-re

0

i_ref

reactive

f(u)

atan2

v _ref

v _dci_ref

Voltage

controlRRF->3ph

enable

m

v _dc

pulses

PWM

Enable

control

i_ref

im

Current

control

3ph->RRF InOut

->pha

5

u_bc

4

u_ab

3

iabc_L

2

Udc*

1

Udc

1

i_ref

-K-

P

1

s

Integrator

-K-

I

Enable

2

v_dc

1

v_ref

Hình 3.10: Triển khai chi tiết khối Voltage controller trong SubSystem

Hình 3.11: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem

1

m

-C-

v_N

-K-

P

1

s

Integrator

-K-

I

K*u

Decoupling

Enable

2

i

1

i_ref


- 56 -


3.3.9. Sơ đồ khối bộ phát xung phía động cơ

3.4. Các kết quả mô phỏng

Thực hiện mô phỏng hệ thống với giả thiết tại t = 0 bắt đầu cấp nguồn

xoay chiều vào bộ biến tần và kích hoạt sự hoạt động của chỉnh lƣu PWM.

Tại t = 1,25s tác động giảm tốc độ đặt một lƣợng 10rad/s. Các kết quả mô

phỏng đƣợc biểu diễn trên các hình 3.13, đến 3.20.

1

pulsesm s

Symmetrical PWMScale

Modulation

Index

Product1

1

Minimum

max

MinMax

1/2

Gain

m m'

3-Phase

Overmodulation3

v_dc

2

m

1

enable

Hình 3.12: Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem

Hình 3.13: Đồ thị tốc độ của hệ điều khiển máy phát

Diesel sử dụng ĐC đồng bộ kích thích vĩnh cửu

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 105

-50

0

50

100

150

200

250

300

350


- 57 -


Hình 3.14: Đồ thị mô men

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 105

-10

-5

0

5

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 105

400

450

500

550

600

650

700

Hình 3.15: Đồ thị điện áp ra của chỉnh lưu PWM


- 58 -


Hình 3.16: Đồ thị dòng điện và điện áp khi xảy ra hãm

tái sinh nđc nđb (dòng và áp ngược pha)

1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 1.24 1.26 1.28 1.3

x 105

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 105

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Hình 3.17: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ

khi tốc độ thay đổi


- 59 -


1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2

x 105

-15

-10

-5

0

5

10

15

Hình 3.18: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động cơ

khi tốc độ không đổi

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Hình 3.19: Đồ thị dòng điện isq


- 60 -


Hình 3.15 biểu diễn điện áp một chiều đầu ra chỉnh lƣu PWM, về cơ bản,

điện áp một chiều sau chỉnh lƣu cũng tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp bộ chỉnh lƣu

làm việc với tải điện trở thuần là có thể đạt giá trị cao hơn so với chỉnh lƣu đi

ốt và giữ ổn định theo giá trị đặt, tuy nhiên khi điều chỉnh giảm tốc độ động

cơ thì điện áp một chiều có sự dao động nhỏ trong thời gian quá độ. Trên đồ

thị hình 3.16 cho thấy động cơ đã biến đổi động năng thành điện năng và đƣa

trả lại lƣới điện xoay chiều khi tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ, điều này đƣợc

thể hiện ở chỗ dòng xoay chiều ngƣợc pha so với điện áp (lệch 1800), lƣới

điện xoay chiều tiếp nhận công suất tác dụng truyền từ động cơ sang và động

cơ làm việc ở trạng thái hãm (thể hiện ở sự đổi chiều của mô men động cơ

trong giai đoạn này). Khi quá trình hãm kết thúc, tốc độ động cơ đạt giá trị

xác lập mới, động cơ chuyển trở về chế độ động cơ thì dòng điện và điện áp

lƣới lại trùng pha.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Hình 3.20: Đồ thị dòng điện isd


- 61 -


Từ các kết quả nghiên cứu về bộ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh

lƣu PWM đƣợc trình bày ở trên, có rút ra kết luận:

3.5. Nhận xét

Hệ truyền động biến tần - động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

sử dụng biến tần 4Q với chỉnh lƣu PWM đáp ứng đƣợc đòi hỏi về điện áp một

chiều đầu ra theo yêu cầu. Ngoài ra sử dụng chỉnh lƣu PWM cho phép thực

hiện đƣợc quá trình trao đổi năng lƣợng hai chiều giữa tải và nguồn, giảm

đáng kể sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới, tăng hiệu suất. Vì vậy, mặc dù

giá thành của loại biến tần này cao gấp đôi so với biến tần thông thƣờng

nhƣng với hệ truyền động này, đặc biệt là khi ứng dụng vào các hệ thống ổn

định tần số máy phát Diezen,… là rất phù hợp.


- 62 -


- Kết luận:

Qua quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài “ Nghiên cứu, nâng cao chất

lƣợng tần số máy phát Diesel” bản luận văn đạt đƣợc một số kết quả sau:

Tác giả đã trình bày lý thuyết tổng quan điều chỉnh tần số trong máy phát

điện. Để ổn định tần số máy phát tác giả đã đƣa ra hai phƣơng pháp ổn định

đó là ổn định sơ cấp và ổn định thứ cấp. Trong luận văn này tác giả đã đi sâu

vào nghiên cứu phƣơng pháp ổn định tần số sơ cấp hay chính là quá trình tự

động điều chỉnh tốc độ quay của tuabin. Tác giả đã đi trình bày một số hệ tự

động ổn định tần số cho các loại máy phát nhƣ nhiệt điện, thuỷ điện, gió, dầu

…. Từ đó tác giả đi xây dựng hệ thống truyền động và dùng bộ điều khiển

trực tiếp mô men để đánh giá chất lƣợng cho hệ thống ổn định tần số máy

phát. Tác giả thấy rằng bộ điều khiển đảm bảo thoả mãn yêu cầu và đã đƣợc

sử dụng trong thực tế.

Dựa vào kết quả ban đầu của đề tài, tác giả hy vọng rằng đề tài sẽ đƣợc

những học viên khoá sau tiếp tục nghiên cứu và phát triển hơn để tiến tới việc

thiết kế và chế tạo đƣợc bộ điều tốc góp phần đẩy mạnh sự nghiệp công

nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nƣớc.

- Kiến nghị:

Đây là kết quả nghiên cứu về mặt lý thuyết. Để áp dụng đƣợc vào thực

tế thì cần phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện và kiểm nghiệm trên mô hình

thực tế.


- 63 -


TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Tài liệu tiếng việt

[1]. PGS.TS Võ Quang Lạp, TS Trần Thọ, Cơ sở điều khiển tự động truyền

động điện, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[2]. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB

khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002.

[3]. Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển

tự động, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2006

[4]. Lê Kim Hùng, Đoàn Ngọc Minh Tú, Bảo vệ rơle và tự động hoá trong hệ

thống điện, NXB giáo dục.

[5]. Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dụng, NXB khoa học và

kỹ thuật HN

[6]. Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển động cơ không đồng bộ xoay

chiều ba pha, NXB khoa học và kỹ thuật HN.

[7]. Bùi Quốc Lực (2005), Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB

khoa học và kỹ thuật HN.

- Tài liệu tiếng anh

[1]. SAFR – 2000H Governor of Hydraulic Turbine – NARA

[2]. Manual for Turbine Model No: HLA-883-Lj-212, Manualfacture: Fụian

nanping Nandian Hudorpower Equipment Manufacturing.

- Website

http://tailieu.vn

http://www.ebook.edu.vn

http://www.lrc-tnu.edu.vn

http://tailieu.vn/

http://www.ebook.edu.vn/

http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Nghien Cuu Nang Cao Chat Luong He Dieu Chinh Tu Dong Tan So May Phat Diesel-Tailieuvn.com.Vn (1)

Documents

Transcript of Nghien Cuu Nang Cao Chat Luong He Dieu Chinh Tu Dong Tan So May Phat Diesel-Tailieuvn.com.Vn (1)