MỞĐẢƯ
Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển kinh tế, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao do những tiến bộ công nghệ nhằm cải thiện đời sống con người Các dạng năng lượng được khai thác và sử dụng bao gồm: cơ năng, quang năng, hóa năng, nhiệt năng và điện năng Trong đó, điện năng nổi bật với khả năng chuyển đổi dễ dàng sang các loại năng lượng hữu ích khác và khả năng truyền tải nhanh chóng, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá sự phát triển kinh tế của một quốc gia.
Xã hội và khoa học - kỹ thuật, điện năng đóng vai trò quan trọng trong phát triển Hiện nay, máy phát điện chủ yếu sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch như khí đốt, than đá và dầu mỏ để sản xuất điện.
Máy phát điện một chiều, máy phát điện không đồng bộ và máy phát điện đồng bộ là những loại phổ biến hiện nay, trong đó máy phát điện đồng bộ được sử dụng nhiều nhất Mục tiêu chính của tất cả các loại máy phát là tạo ra và cung cấp điện năng một cách tin cậy và kinh tế, đảm bảo điện áp và tần số luôn ổn định trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, phụ tải trên hệ thống luôn thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự dao động của điện áp và tần số, gây ra vấn đề về chất lượng điện và sự mất ổn định trong hệ thống.
Việc duy trì mức điện áp ổn định trong lưới điện là rất quan trọng, ảnh hưởng đến an ninh và độ tin cậy của hệ thống Sự sai lệch về điện áp có thể làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị do phải hoạt động trong điều kiện quá điện áp lâu dài Hiện nay, việc ổn định điện áp cục bộ thông qua điều chỉnh điện áp có thể giảm tổn thất do dòng phản kháng gây ra, nhờ vào thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR) được lắp đặt trên hệ thống máy phát điện đồng bộ Đề tài “Nâng cao hiệu suất điều khiển cho hệ thống AVR máy phát điện đồng bộ sử dụng phương pháp điều khiển Fuzzy-PID thích nghi” nhằm phát triển phương pháp mờ thích nghi (Adaptive Fuzzy) để điều chỉnh các tham số PID của bộ AVR, với mục tiêu giữ điện áp đầu cực của máy phát ổn định trong quá trình vận hành.
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
2.1 Tổng quanmáy phát điện đồng bộ
Trong cơ cấu về năng lượng, máy phát điện đồng bộ đóng vai trò quan trọng, cung cấp phần lớn nhu cầu điện của thế giới Đây là loại máy phát điện sản xuất điện với tần số không đổi, thường là 50 hoặc 60 Hz, và được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy tạo ra lượng điện năng lớn.
Máy phát đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi năng lượng cơ học thành điện thông qua sự tương tác giữa từ trường quay và cuộn dây dẫn đứng yên Với tần số dòng điện tạo ra đồng bộ với tần số từ trường quay, máy phát này có khả năng chuyển đổi gần như toàn bộ năng lượng cơ học thành điện năng, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất điện.
Các nhà máy điện thường kết hợp máy phát đồng bộ với turbin nước hoặc turbin hơi, với turbin được dẫn động bằng hơi nước hoặc nước để tạo ra năng lượng điện Năng lượng này sau đó được đưa lên lưới điện, làm cho máy phát trở thành một phần quan trọng và cần thiết trong cơ sở phát điện nhờ vào độ tin cậy và khả năng cung cấp điện ổn định Công suất của mỗi máy phát đồng bộ có thể đạt tới 600 MVA hoặc hơn, và thường hoạt động song song để đáp ứng nhu cầu công suất phụ tải Các máy phát điện đồng bộ được sản xuất với nhiều kích cỡ và công suất khác nhau để phù hợp với các nhu cầu sử dụng đa dạng Đối với lưới điện có công suất yêu cầu nhỏ hoặc độc lập, máy phát có thể sử dụng động cơ diesel hoặc turbin khí Trong một số trường hợp, máy phát có thể hoạt động đơn lẻ hoặc song song với hai máy cùng nhau, trong khi các nhà máy điện lớn thường sử dụng máy phát để đảm bảo lưới điện ổn định và tin cậy hơn.
(D Dộng cơ diesel ỡ Đẩu phát điện (Ồ Két nước làm mát
@ Bộ điêu khiên máx phát © Tu điện đầu cực máx pha! © Bộ giam chân © Bộ đe khung xương mãx (*) Bộ đề max phát
Để tối ưu hóa hiệu suất cho máy phát điện diesel, các hệ thống tự động kiểm soát được sử dụng để điều chỉnh tần số, điện áp và dòng điện Những hệ thống này cũng được thiết lập để bảo vệ máy phát điện khỏi các tình huống nguy hiểm như quá tải, ngắn mạch và mất điện áp.
Máy phát đồng bộ là giải pháp lý tưởng cho phát điện dự phòng, tự động vận hành khi lưới điện chính gặp sự cố Thiết bị này đảm bảo cung cấp điện ổn định và liên tục cho các hoạt động quan trọng như bệnh viện, trung tâm dữ liệu và nhà máy thiết yếu.
Máy phát đồng bộ là thiết bị quan trọng trong các nhà máy năng lượng tái tạo, đặc biệt là tại các trang trại gió, nơi chúng chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng Trong quá trình hoạt động, máy phát đồng bộ kết hợp với tuabin gió để biến đổi năng lượng cơ học thành điện năng, góp phần vào sự phát triển bền vững của năng lượng tái tạo Sự hiện diện của máy phát đồng bộ tại các trang trại gió không chỉ nâng cao hiệu suất phát điện mà còn thúc đẩy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch.
Hình 1.2Hai máy phát làm việc song song
Máy phát đồng bộ có thể được tối ưu hóa với các tính năng thông minh nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng Việc trang bị các thiết bị điều khiển và giám sát hiện đại giúp máy phát hoạt động an toàn và tiết kiệm năng lượng Hơn nữa, để giảm thiểu thất thoát và chi phí trong phân phối điện, các hệ thống thông minh được tích hợp vào máy phát đồng bộ, đảm bảo nguồn điện được phân phối hiệu quả và đáp ứng nhu cầu của phụ tải trong hệ thống điện.
Các nhà máy điện sử dụng máy phát đồng bộ là công nghệ tin cậy và hiệu quả cho việc sản xuất điện quy mô lớn, phổ biến trong cả nhà máy điện truyền thống và năng lượng tái tạo Máy phát đồng bộ sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong hạ tầng năng lượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng sạch Tuy nhiên, việc sử dụng máy phát đồng bộ cũng gặp phải một số hạn chế, bao gồm chi phí ban đầu cao cho thiết bị và lắp đặt, cũng như chi phí bảo trì và vận hành lớn Hơn nữa, lắp đặt máy phát đồng bộ yêu cầu không gian phù hợp và cần có sự chuẩn bị kỹ lưỡng cho các máy công suất lớn.
Sự ổn định điện áp tại nhà máy điện sử dụng máy phát đồng bộ (Synchronous Generator - SG) là yếu tố quan trọng cần được chú trọng Trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống máy phát điện, việc đảm bảo độ ổn định của điện áp đầu ra là cần thiết để duy trì sự ổn định của hệ thống điện Hệ thống điều chỉnh điện áp tự động (AVR) được lắp đặt cùng với SG nhằm kiểm soát và duy trì điện áp đầu ra ở mức không đổi Bên cạnh đó, AVR cũng có trách nhiệm phân chia công suất phản kháng giữa các SG trong các tình huống làm việc song song.
AVR là hệ thống điều khiển vòng kín, sử dụng nhiều bộ điều khiển để nâng cao hiệu suất và giảm sai số trong trạng thái ổn định Bộ điều khiển PID, với các hệ số P, I và D, được áp dụng rộng rãi nhờ vào tính đơn giản, hiệu suất cao và dễ triển khai Tuy nhiên, việc xác định giá trị tối ưu cho ba hệ số này để đạt được hiệu suất điều khiển tối ưu vẫn là một thách thức.
2.2 Tổng quannghiên cứu về điều khiển điện áp SG bỏi AVR
Có nhiều phương pháp để xác định ba tham số trong điều khiển PID, trong đó Ziegler-Nichols (ZN) được phát triển vào năm 1942 và Cohen-Coon (CC) ra đời vào năm 1953 là những phương pháp phổ biến trong hai thập kỷ qua Tuy nhiên, các giải pháp này không đạt hiệu quả cao nhất trong điều khiển vòng kín, và chuyên môn của người thiết kế đóng vai trò quyết định đến hiệu suất của hệ thống.
Một số thuật toán dựa trên kỹ thuật tối ưu hóa heuristic đã được phát triển để khắc phục nhược điểm của phương pháp Z Chẳng hạn, thuật toán di truyền (GA) được sử dụng để tìm kiếm các hệ số tối ưu cho bộ PID-AVR Thuật toán này có ưu điểm là khả năng điều chỉnh các hệ số tối ưu, tùy thuộc vào độ phức tạp của chỉ số hiệu suất, chỉ cần xác định hàm mục tiêu phù hợp và thiết lập giới hạn cho các hệ số này Bên cạnh đó, tối ưu hóa bầy đàn phần tử (PSO) cũng được áp dụng để tối ưu hóa các hệ số PID-AVR.
Phương pháp CPSO đã nâng cao hiệu suất và ổn định của hệ thống SG, đặc biệt trong việc vượt quá đỉnh và giảm thời gian cài đặt Kỹ thuật ACO, một thuật toán metaheuristic, được áp dụng để điều chỉnh các hệ số PID-AVR, tuy nhiên, nó gặp phải nhược điểm về hội tụ chậm và khả năng vướng vào trạng thái tối ưu cục bộ do số lượng hệ số lớn BFO, phát triển vào năm 2022, cải thiện đáng kể khả năng điều chỉnh các hệ số PID, giúp hệ thống đạt được sự ổn định tốt hơn, nhưng cũng gặp phải vấn đề hội tụ chậm Các hệ số thu được từ nghiên cứu này phụ thuộc vào kinh nghiệm trong việc lựa chọn bộ điều chỉnh metaheuristic.
Nhiều nghiên cứu đã đề xuất sử dụng các phương pháp trí tuệ nhân tạo (AI) khác nhau để tối ưu hóa các hệ số PID trong hệ thống AVR, bao gồm logic mờ (Fuzzy Logic), mạng thần kinh và mạng thần kinh-mờ logic Tuy nhiên, một số nhược điểm như thời gian hội tụ chậm và quá trình đào tạo phức tạp đã được chỉ ra Để cải thiện tốc độ hội tụ và hiệu suất, nhiều nhà nghiên cứu đã kết hợp các phương pháp này với nhau Ví dụ, một nghiên cứu đã kết hợp GA và PSO, cho thấy khả năng điều chỉnh hệ số PID nhanh hơn so với từng phương pháp riêng lẻ Một nghiên cứu khác vào năm 2011 đã phát triển phương pháp kết hợp GA và BFO, mang lại kết quả tốt nhất cho đáp ứng bước của AVR Gần đây, một phương pháp kết hợp PSO và BFO cũng đã được đề xuất, cho thấy đáp ứng bước của AVR vượt trội hơn so với các phương pháp PSO và PFO riêng biệt.
Đánh giá về tình hình nghiên cứu chung
Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số của bộ PID cho hệ thống AVR tại SG Mặc dù đã khám phá nhiều kỹ thuật tối ưu hóa khác nhau, vẫn còn nhiều thách thức trong việc xác định phương pháp cung cấp sự hội tụ nhanh nhất cho hệ thống AVR Trong số các phương pháp này, logic mờ (FL) ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực liên quan đến hệ thống điện và truyền động điện.
Cách tiếp cận Fuzzy Logic (FL) sử dụng quy tắc ngôn ngữ và các hàm liên thuộc để chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành các tập mờ, từ đó xác định tín hiệu đầu ra Phương pháp này mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong việc kiểm soát các hệ thống phức tạp, phi tuyến và khó lập mô hình toán học FL không chỉ hữu ích mà còn hiệu quả trong việc tối ưu hóa hiệu suất của điều khiển PID, và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống AVR-SG.
Một trong những ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển FL là khả năng thích ứng linh hoạt với các thay đổi trong hệ thống Nó tự động điều chỉnh các thông số dựa trên trạng thái hiện tại, giúp hệ thống duy trì ổn định và phản ứng nhanh chóng trước các điều kiện vận hành Điều này đặc biệt quan trọng đối với hệ thống điện, khi chúng phải đối mặt với sự biến động của tải và các yếu tố tác động từ bên ngoài.
Phương pháp FL đã trở thành một trong những phương pháp tối ưu hóa hiệu suất bộ PID hiệu quả nhất trong các hệ thống SG-AVR Nó không chỉ cải thiện độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện mà còn đảm bảo khả năng thích ứng tốt với các điều kiện thay đổi Vì vậy, phương pháp này sẽ tiếp tục là một hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực hệ thống điện trong những năm tới.
Định hướng nghiên cứu
Bộ điều khiển AF-PID được đề xuất trong luận văn này nhằm khắc phục những hạn chế của bộ điều khiển PID truyền thống bằng cách xác định các hệ số tối ưu cho bộ điều khiển Phương pháp Ziegler-Nichols thường được sử dụng để tìm ra các hệ số ban đầu của bộ PID, nhưng AF-PID vượt trội hơn nhờ áp dụng logic mờ, cho phép tự động điều chỉnh các hệ số điều khiển PID, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động.
Thuật toán AF-PID sử dụng logic mờ để tối ưu hóa các hệ số trong bộ điều khiển PID truyền thống Nó dựa trên việc áp dụng mờ hóa, luật điều khiển mờ và giải mờ tín hiệu điện áp Bộ điều khiển này tự động điều chỉnh các tham số PID dựa trên điện áp đầu ra của SG, giúp nâng cao hiệu suất điều khiển.
Bộ điều khiển AF-PID được đề xuất trong luận văn đã được đánh giá qua mô phỏng phản ứng tức thời của hệ thống AVR-SG dưới các điều kiện tải khác nhau Kết quả cho thấy bộ điều khiển này đã cải thiện đáng kể các đặc tính đáp ứng tức thời, bao gồm thời gian tăng, sai số trạng thái ổn định, độ vọt lố cực đại và thời gian ổn định So với bộ PID truyền thống áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols, sự cải thiện này là rất đáng chú ý.
Bộ điều khiển AF-PID được đề xuất trong luận văn này mang lại giải pháp tiềm năng cho việc cải thiện độ ổn định điện áp ở đầu cực của máy phát đồng bộ Tác giả hy vọng rằng những kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng để phát triển các chiến lược điều khiển tiên tiến hơn, từ đó đảm bảo ổn định cho hệ thống điện và nâng cao chất lượng điện năng.
Nghiên cứu trong luận văn này tập trung vào việc cải thiện điện áp ở đầu cực của máy phát đồng bộ thông qua việc xác định các hệ số PID cho AVR Để giải quyết vấn đề này, bộ điều khiển mờ thích nghi (AF-PID) được đề xuất Trong nghiên cứu, AF không phải là bộ điều khiển chính, mà chỉ được sử dụng để xác định các hệ số bổ sung cho bộ điều khiển PID AF sẽ được kết nối với bộ PID, tạo thành một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh Qua đó, bộ điều khiển PID sẽ tự điều chỉnh bằng cách thêm các hằng số dựa trên các quy tắc mờ hóa.
Mục tiêu nghiên cứu
Phát triển và áp dụng phương pháp mờ thích nghi (Adaptive Fuzzy - AF) nhằm tự điều chỉnh tham số bộ PID cho AVR của máy phát điện đồng bộ, với mục tiêu ổn định điện áp khi có sự thay đổi điện áp đầu cuối của máy phát.
Nghiên cứu máy phát điện đồng bộ và bộ điều khiển tự động điều chỉnh cho hệthống AVR.
Nghiên cứu lý thuyết mờ thích nghi được áp dụng để phát triển bộ điều khiển cho hệ thống AVR Mục tiêu là xây dựng thuật toán tự điều chỉnh các tham số điều khiển của bộ PID dựa trên luật mờ thích nghi, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống AVR.
Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để xây dựng mô hình và mô phỏng nhằm kiểm chứngphương pháp đềxuất.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Tổng hợp khảo sát phân tích các nghiên cứu về điều khiển ổn định điện áp đầu cực của máy pháp điện đồng bộ.
Phân tích cơ sởlý thuyếtvề máy điện; xây dựng mô hình toán họccho hệthống máy phát điện, hệthốngtự điều khiển điện áp AVR.
Phân tích xu hướng pháttriển của kỹ thuật mờ thích nghitrong điều khiển biến tham số điều khiển của PID.
Phát triển giải pháp điều khiển ứng dụng mờ thích nghi nhằm tự điều chỉnh tham số điều khiển của bộ PID choAVR.
Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng nhằm đánh giá tính thiết thực của giải pháp đề xuất Qua việc đánh giá kết quả, chúng tôi rút ra kết luận và đề xuất hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
♦ ♦♦ Máy phát điện đồng bộ
♦ ♦♦ Hệ thống tự động điều chỉnh điện ápAVR.
♦ ♦♦ Bộ điều chỉnh PID và kỹ thuậtmờthích nghi (AF).
♦ ♦♦ ứngdụng phần mềm MATLAB/Simulink để môphỏng.
Đề tài nghiên cứu sự biến đổi điện áp đầu cuối của máy phát điện đồng bộ, đặc biệt khi xảy ra các hiện tượng bất thường như đóng hoặc cắt tải, cũng như một số trường hợp khác có thể dẫn đến tình trạng chập chờn điện áp.
♦ ♦♦ Pháttriển giảipháp điều khiển mờ thích nghi điều chỉnh cáctham số baogồm hệ số hằng số, đạohàm tích phân bộ điều khiển PID cho hệthốngAVR.
♦ ♦♦ Phần mềm MATLAB/Simulink được dùng để môphỏng và kiểm chứng giải pháp đềxuất.
Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Đểđạt được mục tiêu đặt ra của đềtài, luận văn sử dụng và tiếp cận các phương pháp nghiên cứu sau:
♦ ♦♦ Cơ sở lý thuyết cáccông trình đã đượccông bố.
♦ ♦♦ Lýthuyếtthuật toán mô hình hóa máy phát điện đồng bộ, hệthốngAVR.
♦ ♦♦ Lý thuyết và ứngdụng PID Logic mờ (FL) trong điều khiển AVR.
♦ ♦♦ Kết quả mô phỏng, đưara đánh giánhận xét và kếtluận.
♦ ♦♦ Phương pháp phân tích liệt kê.
♦ ♦♦ Mô hình hóa mô phỏng, phân tích kiểm chứng.
♦ ♦♦ Tổng hợp đánh giá và phân tích kết quả
Những đóng góp ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Thực hiện nghiên cứu này có những đóng góp ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn như sau:
Luận văn đã thành công trong việc phát triển một giải pháp điều khiển sử dụng phương pháp mờ thích nghi, áp dụng kỹ thuật logic mờ để điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID cho hệ thống AVR-SG.
Bài viết trình bày nghiên cứu về máy phát đồng bộ và đề xuất phương pháp điều khiển kết hợp giữa điều khiển mờ thích nghi và điều khiển PID Mục tiêu là cải thiện hệ thống AVR nhằm ổn định điện áp đầu cuối của máy phát điện đồng bộ.
Giải pháp ổn định điện áp đầu cuối cho máy phát điện đồng bộ giúp nâng cao chất lượng điện áp và tăng cường công suất cung cấp vào lưới điện.
Phương pháp đề xuất trong luận văn này nhằm nâng cao chất lượng điện áp đầu cực của máy phát điện đồng bộ, đồng thời cải thiện các đặc tính đáp ứng quá độ của điện áp ngõ ra Cụ thể, phương pháp này tập trung vào việc giảm độ vọt lố đỉnh, rút ngắn thời gian đáp ứng và nâng cao trạng thái ổn định của hệ thống.
Luận văn này cung cấp kết quả nghiên cứu giá trị, phục vụ như tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh trong lĩnh vực kỹ thuật điện Bên cạnh đó, các kỹ sư làm việc tại các nhà máy phát điện cũng có thể sử dụng nó như một hướng dẫn vận hành hữu ích.
Luận văn đượccấu trúc gồm các nội dung theothứtự sau:
Phần này của luận văn giải thích lý do lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu thực hiện và các vấn đề cần giải quyết Nó cũng trình bày phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, giới thiệu các nghiên cứu liên quan đến đề tài, cùng với cấu trúc và nội dung của luận văn.
Chương này trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ cùng với hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) Nó cũng đề cập đến mô hình của máy phát đồng bộ và hệ thống điều khiển AVR, bao gồm các phương pháp tính toán các tham số và xây dựng mô hình mô phỏng cho phương pháp điều khiển kiểu cổ điển của AVR Những kiến thức này sẽ là nền tảng quan trọng cho việc thiết kế bộ điều khiển AVR trong phạm vi đề tài.
Chương 3: Phát triển giải phápđiều khiểncho hệ thốngAVR
Chương này trình bày lý thuyết và kỹ thuật điều khiển cho hệ thống AVR dựa trên phương pháp PID truyền thống Đồng thời, chương cũng giới thiệu giải pháp mới sử dụng phương pháp Fuzzy nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển của PID cho hệ thống AVR Những kiến thức này sẽ làm rõ cách hoạt động của hệ thống điều khiển PID truyền thống và cách áp dụng giải pháp Fuzzy để cải thiện hiệu quả điều khiển cho AVR.
Chương 4: Kết quảmôphỏng và kiểm chứngchất lượng bộ điều khiển
Chương này tập trung vào việc mô phỏng và kiểm chứng chất lượng của hai phương pháp điều khiển PID và AF-PID cho hệ thống AVR Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink, chúng tôi sẽ kiểm tra đáp ứng của hai phương pháp trong các tình huống hệ thống thay đổi Kết quả từ các mô phỏng sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về hiệu suất của hai phương pháp trong các điều kiện vận hành khác nhau Chương này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và đưa ra kết luận cuối cùng của nghiên cứu, đồng thời định hướng cho sự phát triển các kỹ thuật điều khiển tiên tiến hơn trong tương lai.
Kết luận và hướng pháttriển
Phần này tổng hợp nội dung các chương của luận văn, đồng thời đưa ra các đề xuất, kiến nghị và hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai.
Cơ SỞ LÝ THUYẾT
Nguyên lý làm việc và cấu tạo của máy phát đồng bộ
Máy phát điện đồng bộ và máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, cho phép tạo ra dòng điện xoay chiều một pha hoặc ba pha.
Khi dòng điện một chiều đi qua cuộn dây kích từ, một từ trường quay được tạo ra trong stator, với tốc độ tương ứng với rotor Từ trường này mở rộng ra bên ngoài và cắt qua các cuộn dây phần ứng trong stator, tạo ra điện áp xoay chiều Khi rotor quay, điện áp này cung cấp năng lượng cho lưới điện kết nối Từ trường quay hoạt động như một nam châm quay gắn vào trục cuộn dây stator, và cường độ của từ trường có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện kích từ một chiều.
Hình 2.1 trình bày nguyên lý điệntừ của máy phát đồngbộ co bản nhất với một cặp cực duy nhất.
Máy phát điện có thể được kích từ bằng hai phương pháp chính Phương pháp đầu tiên sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn vào rotor để tạo ra từ trường quay với cường độ ổn định, được gọi là máy phát điện từ trường hoặc nam châm vĩnh cửu Phương pháp thứ hai là kết nối máy phát điện một chiều cố định với trục của máy phát điện xoay chiều, hoặc sử dụng dòng điện một chiều riêng biệt để kích từ qua các cuộn dây trên rotor thông qua các vòng trượt và chổi than.
Hình2.1 Nguyên lý điện từ của máyphát đồng bộ đơn giản
Phương pháp kích từ thứ hai cho phép điều chỉnh cường độ từ trường quay bằng cách thay đổi dòng điện một chiều chảy qua các cuộn dây, giúp kiểm soát tần số và điện áp của máy phát điện xoay chiều Máy phát sử dụng phương pháp này được gọi là máy phát kích từ hoặc máy phát tự kích từ Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu một nguồn một chiều riêng biệt để kích từ, và gây ra ma sát cùng nhiệt do tiếp xúc giữa các vòng trượt và chồi than Do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy, cần lựa chọn phương pháp kích từ phù hợp cho máy phát.
Trongmáyphát đồng bộ ba pha, 3 cuộn dây lệch rad (120°) được đặt trong stator.
Do sự quay của rotor trong ba cuộn dây của stator, từ trường tạo ra biến thiên từ thông, dẫn đến việc sinh ra điện áp hình sin (AC), như thể hiện trong Hình 2.2.
Tần số của các điện áp cảm ứng có mối quan hệ trực tiếp với tốc độ cơ học của rotor và tỷ lệ thuận với số cực của máy.
Tần số dòng điện AC ngõ ra, ký hiệu f (Hz), thường là 50Hz ở Việt Nam và hầu hết các nước Châu Âu, trong khi một số quốc gia như Mỹ, Canada và Nhật Bản sử dụng tần số 60Hz Số cặp cực được ký hiệu là p, và tần số góc quay của rotor được biểu thị bằng O)m (rad/s) Chiều quay của rotor cũng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống này.
Hình 2.2 (a) Điệnápba pha ngõ ra tương ứngvới (b) máy phát đồng bộ ba pha đơn giản
Máy đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tác giữa hai nam châm, trong đó nam châm của rotor đuổi theo nam châm của stator với góc chậm 8° (8 < 0) Khi máy hoạt động, moment sinh ra là âm, dẫn đến dòng công suất tác dụng được truyền từ máy lên lưới điện Nhu cầu sử dụng điện càng lớn, công suất đầu vào càng cao, tạo ra moment xoắn cơ học lớn hơn Moment xoắn này có thể tăng bằng cách điều chỉnh góc tải (8) Nếu máy hoạt động như một động cơ, nam châm của stator sẽ kéo rotor, dẫn đến góc tải dương (8 > 0) Moment xoắn cực đại đạt được khi 8 = 90° với một cực đơn hoặc 8 = -90° với nhiều cực Nếu moment xoắn vượt quá giới hạn tối đa, rotor và stator sẽ mất tính đồng bộ, dẫn đến giảm tốc và dừng hẳn, ngay cả khi tải giảm.
2.1.2 Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ
Máy phát đồng bộ xoay chiều bao gồm các thành phầnsau:
Máy điện đồng bộ gồm hai thành phần chính là lõi thép và dây quấn stator Tương tự như stator của máy điện không đồng bộ, lõi thép của máy điện đồng bộ cũng được bọc bởi dây quấn phần ứng.
Lõi thép stator có hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện có từ trở nhỏ và điện trở suất lớn Các lá thép được dập rãnh để lắp đặt dây quấn bapha, sau đó được ghép lại bằng thanh đai hoặc ốc vít Lõi thép stator được ép vào bên trong vỏ máy, thường được chế tạo từ gang hoặc thép đúc.
Dây quấn ba pha stator có vai trò tạo ra từ trường quay trong khe không khí khi được cấp dòng điện xoay chiều Chất liệu của dây quấn stator có thể là đồng hoặc nhôm, được phủ lớp cách điện chịu nhiệt cao Dây quấn này được bố trí trong rãnh của lõi thép stator theo một sơ đồ quấn nhất định nhằm tạo ra số đôi cực từ mong muốn, và số đôi cực từ của stator cần phải tương ứng với số đôi cực từ của rotor để đảm bảo máy điện đồng bộ hoạt động ổn định.
Stator của máy điện đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sức điện động xoay chiều khi hoạt động như máy phát, cũng như tiêu thụ công suất khi hoạt động như động cơ Ngoài ra, stator còn ảnh hưởng đến hiệu suất, hệ số công suất và sự ổn định của máy điện đồng bộ.
Hình 2.3 (a)Cấu tạo stator(b) Lá thép kỹ thuật điện (c) Hình ảnh thựctế
Có hai loại tốc độ cho rotor: một loại có chiều dài dọc trục ngắn và tốc độ chậm, loại còn lại có chiều dài dọc trục lớn hơn gấp nhiều lần đường kính và tốc độ cao hơn Việc lựa chọn loại rotor phụ thuộc vào tốc độ làm việc, điều này rất quan trọng để tối ưu hóa các đặc tính cơ và điện của máy, đồng thời đáp ứng yêu cầu về công suất trong thiết kế.
Rotor của máy điện đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra trường xoay chiều, tương tác với từ trường stator để sinh ra moment quay Rotor được chia thành hai loại chính: rotor cực lồi và rotor cực ẩn Đường kính của rotor phụ thuộc vào công suất và tốc độ của máy, thường nhỏ hơn nhiều so với stator nhằm giảm thiểu hiệu ứng bề mặt và hao phí năng lượng do từ tản.
Rotor cực lồi là loại rotor với các cực từ lồi ra ngoài bề mặt, có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc được kích từ bởi dây quấn Loại rotor này có ưu điểm về tính đơn giản và dễ sản xuất, nhưng nhược điểm lớn là không thể điều chỉnh góc lệch giữa từ trường rotor và stator, dẫn đến việc không thể thay đổi tốc độ và công suất của máy Rotor cực lồi thường được sử dụng trong các ứng dụng với công suất nhỏ và tốc độ thấp.
Cácmáytốcđộthắp dùng rotor cực lồi, có nhiều đôi cực như Hình 2.4.
Hình 2.4Rotor cực lồi: (a) mặtcắt (b) lỗithép (c) hình ảnhthực tế
Mô hình toán học của máy phát đồng bộ
Trong nghiên cứu về máy đồng bộ, các mạch tương đương hai trục thường được giả định với hai hoặc ba cuộn dây damper Bài viết này mô hình hóa máy đồng bộ với một cuộn damper cho trục d và một cuộn damper cho trục q, đồng thời áp dụng biến đổi Park để phân tích.
2 2 1 Các phương trình điện áp và từ thông trong các hệ quy chiếu tự nhiên
Khi pháttriển các phươngtrình cơ bản của máy đồng bộ, các giả định sau đây được đưa ra:
- Các cuộn dây stator đối xứng vàcó sựphân bố dạng sin hoàn hảo dọc theokhe hở không khí.
- Từ trường của các đường dẫn từ trên rotor không phụ thuộcvào vị trí của rotor.
- Không tồn tại hiệu ứng bão hòavà độ trễ.
Hình 2.6 minh họa mô hình máy điện đồng bộ Áp dụng quy ước máy phát cho cuộn dây stator, các phương trình điện áp được thể hiện qua các công thức từ (2.2) đến (2.5) [22].
7=7//+^