Nghiên ứu ứng dụng kỹ thuật van tuyến tính trong thiết kế hế tạo điều tố tự động ho á trạm thuỷ điện vừa và nhỏ

37 3.3 Công nghệ fieldbus, bước tiến mớitrong lĩnh vực điều khiển tự động.45 3.4 Việc ứng dụng công nghệ fieldbus trong van tuyến tính thủy lực.46 3.5 Khả năng ứng dụng kỹ thuật sử dụng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT VAN TUYẾN TÍNH TRONG THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐIỀU TỐC TỰ ĐỘNG CHO CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN VỪA VÀ NHỎ

NGÀNH: MÁY THỦY KHÍ

MÃ SỐ: ………

NGUYỄN VĂN TUỆ

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG SINH TRƯỜNG

HÀ NỘI 2006

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng , tôi Các số liệu được trích dẫn đều có nguồn gốc rõ ràng Kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Học viên

Nguyễn Văn Tuệ

CH Máy thủy khí 2004 – 2006

1.1 Xu hướng phát triển và tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta 6

1.2 Máy điều tốc, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động 13

1.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của máy điều tốc 13 1.3 Những thành phần cấu tạo cơ bản máy điều tốc 20 1.4 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2.1 Máy điều tốc cơ thủy lực, sơ đồ nguyên lý làm việc – 26 2.2 Ưu nhược điểm của máy điều tốc cơ – thủy lực 31

3.3 Công nghệ fieldbus, bước tiến mới trong lĩnh vực điều khiển tự động 45 3.4 Việc ứng dụng công nghệ fieldbus trong van tuyến tính thủy lực 46 3.5 Kh ả năng ứng dụng kỹ thuật sử dụng van tuyến tính trong thiết kế chế tạo

điều tốc điện thủy – cho các trạm thủy điện vừa và nhỏ 55 Chương 4: ĐIỀU TỐC ĐIỆN - THỦY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN

4.1 Phương án chọn điều tốc tuabin cho nhà máy thủy điện Đaksrông 60

4.1.1 Các thông số cơ bản và yêu cầu đối với hệ thống. 60

4.2 Cơ sở tính toán các phần tử chính của hệ thống máy điều tốc 68

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các dự án nguồn điện do tổng công ty điện lực Việt Nam làmchủ đầu tư.

Bảng 1.2: Các dự án nguồn điện do doanh nghiệp ngoài tổng công tyđiện lực Việt Nam làm chủ đầu tư

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIỂUĐỒHình 1.1: Đường đặc tính điều chỉnh của máy điều tốc

Hình 1.2: Đường đặc tính của máy điều tốc, trường hợp 2 tổ máy làmviệc song song có hệ số δkhác nhau

Hình 1.3: Đường đặc tính điều chỉnh của hai tổ máy làm việc song song Hình 1.4: Sơ đồ máy điều tốccó phản hồi mềm

Hình 1.5: Mô hình của một nhà máy thủy điện nhỏ sử dụng các công nghệ kỹ thuật số tiên tiến

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc cơ – thủy lực

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc điện thủy lực.–

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc điện thủy lực.–

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mạch hở

Hình 3.2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mạch kín

Hình 3.3: Van phân phối tuyến tính điều khiển trực tiếp với hai cuộn nam châm điện từ điều khiển

Hình 3.4: Ký hiệu của van phân phối tuyến tính 4/4, có một cuộn nam châm điện từ điều khiển

Hình 3.5a: Van tuyến tính điều khiển gián tiếp không có phản hồi Hình 3.5b: Van tuyến tính điều khiển gián tiếp có phản hồi

Hình 3.6: Fieldbus trong mô hình lớp của công nghệ tự động hóa

Hình 3.7: Van thủy lực servo tuyến tính với giao diện fieldbus và điều khiển điện tử kỹ thuật số

-Hình 3.8: Phương pháp liên kết các van sử dụng giao diện fieldbus.Hình 3.9: Sự khác nhau giữa hệ thống điều khiển tập trung và điều

khiển phân cấp

Hình 3.10: Cấu trúc dữ liệu CAN

Hình 3.11: Mô hình một hệ thống kết nối sử dụng giao diện fieldbus Hình 3.12: Cài đặt phần mềm cho van tuyến tính kỹ thuật số

Hình 3.13: Các van tuyến tính kỹ thuật số thế hệ mới của ATOS

Hình 3.14: Các van tuyến tính và Servo thế hệ mới của MOOG

Hình 3.15: Rotor của tuabin gió với van tuyến tính servo điều khiển kỹ thuật số

-Biểu đồ 4.1: Dải công suất tối ưu cho tuabin Francis công suất nhỏ, chọn theo cột nước tính toán và lưu lượng

Hình 4.2: Bánh xe công tác kiểu Francis

Hình 4.3: Van đĩa

Hình 4.4: Tuabin Francis trục ngang công suất nhỏ và máy phát

Hình 4.5: Sơ đồ điều khiển của hệ thống với giao diện fieldbus

Hình 4.6a: Tủ điện điều khiển

Hình 4.6b: Bộ nguồn máy điều tốc

Hình 4.7: Bình tích năng kiểu màng, nạp khí Nitơ

Hình 4.8: Mô hình tính toán bình tích năng

Biểu đồ 4.9: Đường đặc tính lưu lượng các loại van do ATOS chế tạo.Hình 4.10: Nguyên lý cấu tạo của van tuyến tính DPZO với giao diện fieldbus

Hình 4.11: Sơ đồ các chân tín hiệu, chân nguồn và các hàm cơ bản của van DPZO

Hình 4.12: Van DPZO và các kích thước lắp đặt

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Xu hướng phát triển và tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta

1.1.1 Xu hướng phát triển thủy điện vừa và nhỏ

Từ trước đến nay, năng lượng vẫn là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các quốc gia Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ

và khí đốt thì thủy điện là một nguồn năng lượng đang được khai thác một cách triệt để nhằm đáp ứng các nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, rất nhiều các công trình thủy điện lớn và nhỏ

đã và đang được triển khai xây dựng

Người ta nhận thấy mặc dù các công trình thủy điện lớn cung cấp điện cho khoảng 20% dân số toàn cầu song nó lại có ảnh hưởng lớn tới thổ nhưỡng, địa chất, nguồn nước, khí hậu,… Các hồ chứa của các nhà máy thuỷ điện ở các vùng nhiệt đới có thể sản sinh ra một lượng lớn khí methane và carbon dioxide Nguyên nhân của hiện tượng này là do các xác thực vật mới

bị lũ quét và các vùng tái bị lũ tràn ngập nước, mục nát trong một môi trường

kỵ khí và tạo thành methane, một khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh Methane bay vào khí quyển kh nước được xả từ đập để làm quay i tuabin Theo bản báo cáo của Cao ủy thế giới về đập, ở nơi nào đập nước lớn so với công suất phát điện (ít hơn 100 W att trên mỗi km2 diện tích bề mặt) và không có việc phá rừng trong vùng được tiến hành trước khi thi công đập nước, khí gas gây hiệu ứng nhà kính phát ra từ đập có thể cao hơn những nhà máy nhiệt điện thông thường Một cái hại nữa của các đập thuỷ điện lớn là việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa Trong nhiều trường hợp không một khoản bồi thường nào có thể bù đắp được sự gắn bó của họ về tổ tiên và văn hoá gắn liền với địa điểm đó vì chúng có giá trị tinh thần rất lớn đối với họ Hơn nữa,

về mặt lịch sử và văn hoá các địa điểm quan trọng có thể bị biến mất, như dự

án Đập Tam Hiệp ở Trung Quốc, đập Clyde ở New Zealand và đập Ilisu ở đông nam Thổ Nhĩ Kỳ,… Một số dự án thuỷ điện cũng sử dụng các kênh đào,

để làm chệch hướng một con sông tới độ dốc ít hơn để tăng cột áp của nhà máy Trong một số trường hợp, toàn bộ con sông có thể bị đổi hướng để trơ lại đáy dòng sông Ví dụ như sông Tekapo và Pukaki (New Zealand) Người

ta lo ngại rằng, nếu con sông được sử dụng làm thủy điện chảy qua nhiều vùng đất khác nhau thì mức độ ảnh hưởng sẽ gia tăng nghiêm trọng tại các vùng đất rộng lớn, thậm chí ảnh hưởng tới nhiều quốc gia Vì thế, các nhà nghiên cứu phát triển thủy điện đã kêu gọi các chính phủ đổi hướng sang xây dựng các nhà máy thủy điện loại vừa và nhỏ, chỉ cung cấp điện cho một vùng hoặc khu vực nhỏ, vừa không gây hao tốn tài nguyên, nhân lực vừa bảo đảm gìn giữ môi trường sống tốt lành

Do tính ưu việt của nó, thủy điện vừa và nhỏ đã được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm phát triển Ngoài các ưu điểm như vốn đầu tư không lớn, không đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị thủy điện quá phức tạp, không phải xây dựng các hồ chứa nước lớn, tiết kiệm được nguồn năng lượng truyền thống, thì một ưu điểm nổi trội của loại hình này là Thủy điện vừa và nhỏ ít làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh và khả năng tự cung tự cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa, ít dân cư

1.1.2 Tiềm năng thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta

Việt Nam là một quốc gia được thiên nhiên ưu đãi có hệ thống sông ngòi phong phú, đa dạng trải khắp chiều dài đất nước nên rất thuận lợi cho việc phát triển thủy điện Tính tới thời điểm năm 2003, tổng công suất của các nhà máy thủy điện đã xây dựng xấp xỉ 4.000 MW và các nhà máy đang xây dựng có tổng công suất gần 1.000 MW Tuy nhiên, theo các số liệu thống kê,

mới chỉ có khoảng 1/4 tiềm năng thủy điện ở nước ta được khai thác để phục

vụ sản xuất dân sinh

Theo kế hoạch phát triển ngành thủy điện từ nay đến năm 2010, nước ta

sẽ xây dựng các dự án thủy điện đặc biệt là dự án thủy điện Sơn La ở phía Tây Bắc với tổng công suất từ 2.400 3.600 MW Dự kiến đến năm 2010, tổng ÷công suất lắp đặt các nhà máy thủy điện ở nước ta sẽ đạt từ 9.000-10.000 MW

và đến năm 2020 sẽ khai thác triệt để lượng công suất thủy điện có thể sử dụng ở nước ta

Điều kiện tự nhiên của nước ta cũng rất thuận lợi cho việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ Trong tình hình khủng hoảng thiếu năng lượng điện hiện nay do nhu cầu sử dụng điện tăng nhanh thì việc cung cấp điện cho các vùng sâu, vùng xa từ nguồn điện của các nhà máy điện lớn sẽ càng khó khăn Việc xây dựng thủy điện vừa và nhỏ không cần đầu tư vốn lớn, có thể tranh thủ huy động vốn từ các xí nghiệp nhỏ hay tư nhân Bởi vậy, sử dụng các kinh nghiệm của thế giới về việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta trở nên cần thiết và đang được Nhà nước hết sức quan tâm

Qua các bảng thống kê dưới đây (theo nguồn: Tổng công ty Cơ Điện – Xây dựng nông nghiệp và Thủy lợi) cho thấy sự xây dựng và phát triển rất nhanh chóng các trạm thủy điện vừa và nhỏ ở Việt Nam

Bảng 1.1

CÁC DỰ ÁN NGUỒN ĐIỆN DO TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC VIỆT

NAM LÀM CHỦ ĐẦU TƯ

(Ban hành kèm theo Quyết định số 40/2003/QĐ TTg ngày 21 tháng 3 năm

-2003 của Thủ tướng Chính phủ)

I CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2003-2005

II CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2006 - 2010

16 Thủy điện Sông Côn 2 70 2010

25 Nhiệt điện dầu khí Ô Môn I - 600 2006 2007-

27 Nhiệt điện than Uông Bí MR tổ máy 2, 300 2008

32 Nhiệt điện Ô Môn II (theo

công nghệ TBKCTHH)

(*) Giai đoạn 1: 600 MW

(**) Giai đoạn 1: Theo công nghệ đốt than

[nguồn: Tổng công ty Cơ Điện Xây dựng nông nghiệp và Thủy lợi]–

I CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2003-2005

II CÁC NGUỒN ĐIỆN VẬN HÀNH GIAI ĐOẠN 2006 - 2010

MW

Năm vận hành

8 Thuỷ điện La Ngâu 38 2006

[nguồn: Tổng công ty Cơ Điện Xây dựng nông nghiệp và Thủy lợi]–

Ngoài ra, trong phần phụ lục 1 và 2 ta cũng thấy được tiềm năng thủy điện

vừa và nhỏ hết sức dồi dào của Việt Nam, qua các dự án quy hoạch phát triển

thủy điện trên các lưu vực sông Việt Nam Danh mục các trạm thủy điện công ;

suất vừa và nhỏ và bài viết về tiềm năng thủy điện Việt Nam và kế hoạch khai

thác đăng trên tạp chí điện lực số 9 – 2006

1.2 Máy điều tốc, nhiệm vụ và nguyên lý hoạt động

Đối với các trạm thủy điện, ngoài tu bin và máy phát điện còn có một a

bộ phận với vai trò hết sức quan trọng đó là hệ thống điều chỉnh tuabin hay còn được gọi một cách đơn giản là “Máy điều tốc”

1.2.1 Nhiệm vụ của máy điều tốc

Nhiệm vụ của máy điều tốc là đảm bảo chất lượng của nguồn điện Cụ thể như:

- Phân bổ chế độ làm việc cho từng tổ máy theo giờ trong ngày

- Phân bố phụ tải cho các trạm thủy điện trong cùng một khu vực hay rộng hơn là cả một vùng, thậm chí cả một quốc gia

…

1.2.2 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của máy điều tốc

1) Khi giữ vai trò ổn định tần số dòng điện máy phát trong một tổ máy

Trong quá trình làm việc của trạm thủy điện, phụ tải luôn thay đổi (tùy thuộc vào nhu cầu tiêu thụ điện năng) dẫn đến sự thay đổi tần số dòng điện,

sự thay đổi này có thể vượt quá giới hạn cho phép

Trong quy trình kỹ thuật vận hành điện quy định độ sai lệch tạm thời của tần số điện xoay chiều với giá trị định mức (50Hz) trong khoảng ±0,2%

Tần số (hay số chu kỳ biến thiên của dòng điện xoay chiều trong 1 giây) phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto máy phát:

n.60

p

f =trong đó:

f - tần số (Hz)

p - số đôi cực của máy phát

n - tốc độ quay của rôto máy phát (vòng/phút)

Do số đôi cực p của máy phát là cố định nên tần số f chỉ phụ thuộc vào tốc độ quay n của rôto máy phát, mặt khác phương trình cơ bản đặc trưng cho

sự chuyển động của rôto tổ máy có dạng:

C

T MMdt

d

trong đó:

J - mômen quán tính của rôto tổ máy

ω - vận tốc góc của rôto tổ máy

MT - mômen của tuabin

MC - mômen cản (phụ thuộc vào phụ tải)

Từ phương trình (1.1) ta nhận thấy trạng thái làm việc của hệ thống có thể mô tả qua 3 phương trình:

0dt

d

J.ω = const (**)

MT – MC= 0 (***)Tương ứng với ba phương trình là ba nguyên lý điều chỉnh tuabin

Theo (*) ta có máy điều tốc theo gia tốc, có nhiệm vụ điều chỉnh gia tốc, sao cho 0

dt

d

=

Theo (**) ta có máy điều tốc theo vận tốc góc , có nhiệm vụ theo dõi ω

sự thay đổi của vận tốc góc và tác động sao choω J.ω = const

Theo (***) ta có máy điều tốc theo mômen, có khả năng theo dõi sự thay đổi của mômen MC để điều chỉnh mômen động lực của tuabin MT, sao cho MT=MC Điều này có thể đạt được bằng hai cách:

- Điều chỉnh MT thông qua việc điều chỉnh lưu lượng qua tuabin sao cho MT = MC

- Điều chỉnh MC thông qua việc điều chỉnh tổng mômen cản của phụ tải (tải giả), sao cho MC = MT (cách này thường chỉ áp dụng với các trạm có công suất cực nhỏ)

Trong các loại điều tốc kể trên, máy điều tốc hiện đang được sử dụng rộng rãi là loại điều chỉnh dựa trên nguyên lý MT = MC

Ta nhận thấy, việc duy trì sự cân bằng giữa mômen của tuabin và mômen cản (MT = MC) cũng sẽ giữ cho vận tốc góc ω là một hằng số ( ω = const; hay 0

dt

d =ω )

Mômen cản MC phụ thuộc vào phụ tải của máy phát điện, còn mômen của tuabin MT được quyết định bởi công suất của tuabin N, giữa MT và N có quan hệ như sau:

ηγ

=ω

2) Khi làm nhiệm vụ phân bố phụ tải cho các tổ máy làm việc song

song

Hầu hết các trạm thủy điện đều có nhiều hơn 1 tổ máy làm việc song song trong một hệ thống lưới điện chung, điều này đòi hỏi phải có sự điều chỉnh sự làm việc song song giữa các tuabin cho phù hợp với quy định về tần

số dòng điện Đối với các tổ máy làm việc song song, khi thay đổi độ mở của

hệ thống cánh hướng dòng sẽ không làm thay đổi số vòng quay của tuabin mà chỉ phân bố lại phụ tải cho các tổ máy

Ta nghiên cứu sự làm việc

song song của các tuabin dựa trên

đường đặc tính của các máy điều tốc

Mỗi máy điều tốc đều có một đường

đặc tính điều chỉnh, đường đặc tính

của máy điều tốc cho ta thấy mối liên

hệ giữa số vòng quay của tuabin với

của máy điều tốc

Thông thường, đường đặc tính của máy điều tốc có dạng gần như đường thẳng nằm nghiêng, độ nghiêng phụ thuộc vào phản hồi Máy điều tốc

có phản hồi mềm thì đường đặc tính điều chỉnh của nó có dạng là một đường

nằm ngang (AA), còn đối với máy điều tốc có phản hồi cứng thì đường đặc tính điều chỉnh của nó là một đường nghiêng (BB), hình 1.1

Máy điều tốc có phản hồi cứng có số vòng quay lúc trước và sau khikết thúc điều chỉnh không bằng nhau Để đánh giá độ chênh lệch số vòng quay n người ta dùng hệ số sai lệch δ Hệ số sai lệch δ được xác định theo công thức:

%100.n

nn

0

min max −

nn

2

min max

min max

+

−

=δ

Để thay đổi hệ số sai lệch δ người ta thường dùng cơ cấu đặc biệt để thay đổi hệ số truyền của phản hồi (tỷ số truyền của xylanh lực và thanh truyền) Hiện nay hệ số sai lệch cho phép của các máy điều tốcδ nằm trong khoảng từ (2 ÷ 6)%

Hình 1.2: Đường đặc tính của máy điều tốc, trường hợp 2 tổ máy làm

việc song song có hệ số δkhác nhau

Ta nghiên cứu sự làm việc song song của 2 tổ máy có hệ số sai lệch δkhác nhau (δ1 ≠ δ2), với hai đường đặc tính điều chỉnh được cho trên hình 1.3

Ở chế độ làm việc ổn định, với số vòng quay định mức ứng với đường O1O1,

tổ máy 1 có đường đặc tính điều chỉnh A1A1, tổ máy 2 có đường đặc tính điều chỉnh B1B1 Công suất của tổ máy 1 là N1, công suất của tổ máy 2 là N2

Khi phụ tải tăng, số vòng quay của 2 tổ máy sẽ giảm đi một giá trị ∆n ứng với vị trí đường O2O2 Phụ tải tăng ở tổ máy 1 là ∆N1 và ở tổ máy 2 là

∆N2 Máy điều tốc làm việc, thay đổi lưu lượng qua tuabin sao cho MT = MC

và đưa số vòng quay của tuabin trở lại số vòng quay định mức, tức là trở lại vị trí đường O1O1 Lúc này đường đặc tính điều chỉnh của hai máy điều tốc trên

sẽ trở thành đường A2A2 và B2B2 song song với đường A1A1 và đường

B1B1 Yêu cầu đặt ra là cần xác định công thức tính ∆N1 và ∆N2 của tổ máy 1

và tổ máy 2

Xét biểu đồ đối với tổ máy 1 Ta có 2 tam giác (được gạch chéo) là đồng dạng, nên:

max 1

min 1 max 1

1 N

nn

Mặt khác, từ công thức (1.3) ta có: n1max – n1min = δ1.n0

Thay vào công thức (1.4), ta được:

max 1 0 1

1 Nn

nN

2 N

n

nN

δ

∆

=

∆Tổng số phụ tải thay đổi trên cả hai máy điều tốc là:

∆N = N∆ 1 + ∆N2

Một cách tổng quát, ta có:

max i 0 i

i Nn

nN

hệ số sai lệch δ nhỏ sẽ chịu sự thay đổi tải lớn

Qua sự phân tích trên ta thấy rằng, nếu như đường đặc tính điều chỉnh của các tổ máy không phải là đường nằm nghiêng mà là đường nằm ngang (máy điều tốc có bộ phận phản hồi mềm) thì sự phân phối phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song sẽ không ổn định Do δ1 = δ2 = δi = 0, nên từ công thức (1.5) ta thấy rằng ∆Ni là một đại lượng vô định, điều đó đồng nghĩa với việc phụ tải mà mỗi tổ máy đảm nhận không phải là một giá trị xác định mà luôn thay đổi

Trong thực tế vận hành, người ta thường sử dụng một tổ máy có đường đặc tính điều chỉnh nằm ngang (hệ số sai lệch δ = 0), còn tổ máy 2 có đường đặc tính điều chỉnh là một đường dốc (hệ số sai lệch δ ≠ 0) sẽ làm việc với một phụ tải nhất định Như vậy, phần dao động phụ tải của cả hệ thống ∆N đều do tổ máy thứ nhất (có δ = 0) đảm nhận, còn tổ máy 2 sẽ làm việc với phụ tải không đổi bằng công suất định mức của nó Từ đó ta rút ra được, trong quá

trình vận hành muốn cho một hoặc vài tổ máy làm việc với công suất không thay đổi thì ta điều chỉnh để cho đường đặc tính điều chỉnh của chúng có độ dốc tương đối lớn, còn đối với các tổ máy được dùng để đảm nhận phần phụ tải thay đổi của hệ thống thì điều chỉnh cho đường đặc tính điều chỉnh của chúng có độ dốc nhỏ hoặc δ = 0.

Xét về mặt phụ tải, ta có thể coi các tổ máy có hệ số sai lệch δ ≠ 0 là các tổ máy làm việc ở phần gốc của biểu đồ phụ tải, còn các tổ máy có hệ số sai lệch δ = 0 là các tổ máy làm việc ở phần ngọn của biểu đồ phụ tải

Nếu như xét về ý nghĩa đảm bảo tần số của cả hệ thống không đổi, ta nói tổ máy có hệ số sai lệch δ = 0 là tổ máy chủ đạo hay tổ máy điều tần

n

−∆ N 1

Hình 1.3: Đường đặc tính điều chỉnh của hai tổ máy làm việc song

song (tổ máy số 1 làm nhiệm vụ điều tần)

Mở rộng ra cho trường hợp có nhiều trạm thủy điện cùng làm việc song song trong một hệ thống lưới điện thì yêu cầu đối với trạm thủy điện đóng vai trò chủ đạo (hay điều tần) là phải có công suất và dung tích hồ chứa đủ lớn, đồng thời đảm nhận phụ tải ngọn

1.3 Những thành phần cấu tạo cơ bản máy điều tốc

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của máy

điều tốc có phản hồi mềm

1_xylanh thủy lực; 2,3,9,10_cơ cấu

thanh truyền phản hồi; 4_đường ống

dẫn dầu; 5_động cơ điện; 6_cơ cấu

quả văng; 7_van thủy lực điều khiển;

8_con trượt điều khiển; 11_hộp giảm

tốc; 12_trục vít; 13,14_vít điều chỉnh;

15_thanh truyền; 16_bộ giảm chấn

thủy lực; 17,18_van phân phối chính

Máy điều tốc là sự tổng hợp của nhiều cơ cấu thiết bị, mỗi một cơ cấu thiết bị đảm nhận một chức năng, cụ thể như:

- Cơ cấu cảm biến và đo lường: nhận biết sai lệch về số vòng quay và

sự thay đổi vị trí của cơ cấu điều chỉnh

- Cơ cấu điều chỉnh: bộ phận trực tiếp thay đổi mômen lực chuyển động của tuabin

- Cơ cấu chấp hành: thực hiện sự liên hệ cần thiết giữa cơ cấu cảm biến, đo lường và cơ cấu điều chỉnh, thực hiện việc dịch chuyển cơ cấu điều chỉnh đến vị trí tương ứng với tín hiệu của cơ cấu cảm biến

đo lường

- Cơ cấu ổn định: có tác dụng làm tăng tính ổn định và chất lượng của quá trình điều chỉnh

- Cơ cấu phụ trợ: đảm nhận các chức năng như hiệu chỉnh, khống chế

độ mở v.v…

Trên hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc có cơ cấu phản hồi mềm

1.4 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực

tiễn của đề tài

1.4.1 Mục đích của đề tài

Từ kinh nghiệm tích lũy qua thực tế thế giới cho thấy một trong những

đặc điểm nổi bật của thủy điện vừa và nhỏ, đó là tỷ trọng đầu tư cho thiết bị

chiếm tỷ lệ cao so với các công trình thủy điện lớn Thường thì thiết bị thủy

điện vừa và nhỏ chiếm tỷ lệ 30% đến 40% vốn đầu tư ban đầu Trường hợp đặc biệt, con số này có thể lên đến 50% Điều đó cho thấy tầm quan trọng của việc đầu tư nghiên cứu nhằm hoàn thiện thiết bị thủy điện vừa và nhỏ Hiện nay trên thế giới, cùng với sự ứng dụng nhiều các thành quả khoa học và công nghệ mới, thủy điện vừa và nhỏ đã hoàn toàn thay đổi chất lượng nguồn năng lượng của mình, kết quả là mọi sự nhìn nhận về thủy điện vừa và nhỏ đã phải thay đổi

Đóng góp phần không nhỏ cho sự thay đổi đó phải kể đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi các hệ thống điều khiển tự động cùng kỹ thuật vi xử

lý trong quá trình vận hành và điều khiển các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ

Sự hoàn thiện của máy điều tốc tua bin thủy điện cũng là một trong những yếu

tố quan trọng làm nên sự thay đổi lớn đó

Với mục tiêu giảm giá thành đầu tư và đơn giản trong vận hành các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, theo logic đơn giản người ta có thể cho rằng ở đây chỉ cần sử dụng những máy điều tốc atu bin có nguyên lý đơn giản và rẻ nhất

so với những máy điều tốc của các nhà máy thủy điện lớn Tuy nhiên, nếu tiếp

cận vấn đề này từ góc độ “điều khiển đồng bộ” nhà máy thủy điện vừa và nhỏ chứ không chỉ đơn thuần là “điều tốc” thì chúng ta lại phải thay đổi quan niệm trên Các kết quả nghiên cứu trên thực tế tại Mỹ, Nga và ngay cả Trung Quốc cho thấy tại các nhà máy thủy điện lớn, điều tốc tu bin chỉ là một phần a trong hệ thống tự động điều khiển cũng như bảo vệ tổ máy trong quá trình làm việc Trong khi đó, đối với nhà máy thủy điện vừa và nhỏ, việc lắp đặt riêng biệt các hệ thống điều tốc, điều khiển tự động và bảo vệ tổ máy sẽ dẫn đến nhiều tốn kém trong đầu tư ban đầu Ở đây, phương án tối ưu được lựa

chọn phổ biến trên thế giới, đó là tổ hợp các chức năng trên vào cùng với điều

tốc tua bin Với xu hướng tiến tới nhà máy thủy điện vừa và nhỏ hoàn toàn tự

động, việc ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến trong điều khiển với các bộ vi

xử lý mạnh tưởng như làm phức tạp thêm cho nhà máy thủy điện, nhưng thực

tế lại cho thấy điều ngược l Với ứng dụng kỹ thuật mới, việc vận hành, bảo ạidưỡng sửa chữa các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được đơn giản đi nhiều nhờ sử dụng nhiều tổ hợp, linh kiện tiêu chuẩn Điều mà trước đây chưa thể

có được Trên hình 1.5 là mô hình của một nhà máy thủy điện nhỏ, với việc ứng dụng các công nghệ kỹ thuật số tiên tiến trong điều khiển tự động hóa các quá trình

1.4.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Như ở phần trên đã trình bày, nhằm tăng cường khả năng chủ động sản xuất các trang thiết bị điều khiển tự động mang tính hiện đại hóa cao, nâng cao năng lực cạnh tranh trước xu thế hội nhập khu vực và toàn thế giới… Đề tài tập trung nghiên cứu về công nghệ van tuyến tính thế hệ mới và khả năng ứng dụng của nó trong việc thiết kế chế tạo các máy điều tốc tự động điện – thủy cho các trạm thủy điện cỡ vừa và nhỏ

1.4.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, đề tài mang tính nghiên cứu ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến vào trong các lĩnh vực của sản xuất và đời sống Đây là một ý nghĩa khoa học hết sức sâu sắc, mỗi ngành khoa học chỉ có thể phát triển khi các kết quả nghiên cứu của nó được nghiên cứu ứng dụng phục

vụ con người

Về mặt thực tiễn, đề tài mang tính thực tiễn cao do là một phần trong

nội dung nghiên cứu của Dự án khoa học công nghệ quy mô lớn của Nhà

nước: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành thiết bị thủy điện

cho nhà máy thủy điện Đaksrông công suất 20MW”, (Thuộc chương trình

phát triển khoa học công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 2005 – 2010) Việc nghiên cứu tự thiết kế chế tạo các trang thiết bị điều khiển tự động, hiện đại trong công nghiệp nói chung và thiết bị điều chỉnh tuabin thủy điện nói riêng sẽ giúp cho đội ngũ kỹ sư và công nhân Việt Nam có thêm kinh nghiệm và nâng cao tay nghề, thu nhập, một mặt giúp cho các doanh nghiệp Việt Nam có thêm các thế mạnh cạnh tranh trước xu thế hội nhập với thế giới

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Máy điều tốc cơ – thủy lực, sơ đồ nguyên lý làm việc

Trên thế giới hiện nay, các máy điều tốc dùng cho nhà máy thủy điện vừa và nhỏ được thiết kế và chế tạo dựa trên hai nguyên lý cơ bản, đó là

nguyên lý cơ – thủy lực và nguyên lý điện – thủy lực

Loại hoạt động theo nguyên lý cơ thủy lực đã được nghiên cứu và – ứng dụng từ khởi đầu phát triển của ngành thủy điện Với các ưu điểm như: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ tin cậy và độ bền cao trong quá trình vận hành… Cho đến nay loại này vẫn được sử dụng phổ biến trong các trạm thủy điện vừa và nhỏ ở nước ta

Trên hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý của một máy điều tốc cơ thủy lực do – Trung Quốc sản xuất Đây là một loại điều tốc có phản hồi mềm Cấu tạo của

nó bao gồm:

- Cơ cấu cảm biến và đo lường: cụm quả văng và động cơ điện dẫn động (1÷6), cơ cấu cam (25, 26, 38, 39)

- Cơ cấu điều chỉnh: hệ thống cánh hướng dòng

- Cơ cấu chấp hành: cụm van phân phối (7÷12; 40÷43), cụm xylanh thủy lực (34÷37; 44÷50)

- Cơ cấu ổn định: bộ phận phản hồi mềm (13÷16; 23, 24 27÷33; 64÷73)

- Cơ cấu phụ trợ: cụm hiệu chỉnh (17÷22)

Bộ phận phản hồi gồm bộ giảm chấn thủy lực (gồm các pittông 64, 65, các lò xo 66, 67, 68, kim tiết lưu 69 và cơ cấu cam (lò xo 25, trục 26, con lăn )

38, cam 39), ngoài ra còn phải kể đến cơ cấu các thanh truyền (13, 14, 15, 16,

số vòng quay định mức Lực ly tâm do cơ cấu quả văng (5) gây ra cân bằng với lực của lò xo (6), nó giữ cho vị trí của ống lót (7) với con trượt (8) ở vị trí đóng (vị trí trung gian) Độ mở cánh hướng (được khống chế bởi hành trình của xylanh sécvô) là phù hợp với công suất định mức của tổ máy

Trong trường hợp phụ tải giảm, mômen động lực của tuabin và mômen cản của máy phát mất cân bằng, số vòng quay của tuabin tăng lên Lúc này,

do điện áp tăng dẫn đến số vòng quay của động cơ điện (1) cũng tăng lên tương ứng, lực ly tâm của cơ cấu quả văng (5) tăng lên, ống lót (7) được kéo lên, lò xo (6) bị ép lại, ngăn bên phải của xylanh sécvô được nối thông với đường hồi về bể dưới tác dụng của áp lực dầu từ bình tích năng (luôn nối , thông với ngăn bên trái của xylanh sécvô) piston trong xylanh sécvô dịch chuyển sang phải làm quay cánh tay đòn (48), dẫn động trục (47) làm giảm độ

mở cánh hướng để giảm lưu lượng vào tuabin, hạ thấp số vòng quay của tuabin xuống Vị trí cân bằng mới được thiết lập, tổ máy trở lại với số vòng quay định mức

Khi piston trong xylanh sécvô dịch chuyển theo hướng sang phải, cơ cấu cam (39) tác động vào trục phản hồi (26) làm quay cơ cấu khung (33) theo chiều kim đồng hồ tạo ra hai tác động phản hồi

- Tác động phản hồi do bộ giảm chấn: Khi cơ cấu khung (33) quay theo chiều kim đồng hồ, đai ốc (31) trên trục ren (32) liên kết qua các thanh (24), (14) và (70) kéo piston (64) của bộ giảm chấn đi lên,

áp suất dầu ở khoang dưới giảm tạo ra lực kéo piston thứ cấp (65) đi xuống, lò xo (66) bị nén lại Dưới tác động của các thanh liên kết (71), (73), (72) và (13) con trượt (8) bị đẩy lên phía trên đóng bớt các

lỗ lưu thông trên ống lót (7) hạn chế sự dao động của hệ thống do hệ thống cánh hướng vượt quá độ mở cần thiết Khi lưu lượng nước vào tuabin giảm xuống làm giảm số vòng quay của tuabin, số vòng quay của động cơ (1) cũng giảm theo, cơ cấu quả văng ly tâm (5) đưa ống lót (7) trở về vị trí ban đầu, cùng lúc đó do lực đàn hồi của lò xo (66) piston thứ cấp (65) bị đẩy trở về vị trí trung gian kéo theo sự dịch chuyển của con trượt (8) cùng với ống lót (7) tạo thành vị trí đóng hoàn toàn các cửa lưu thông trên van điều khiển, hệ thống được xác lập ở vị trí cân bằng mới

Bằng việc điều chỉnh kim tiết lưu (69) có thể giảm khoảng thời gian dao động theo yêu cầu (trong một khoảng cho phép_thông thường từ

0 15s÷ )

Bằng việc điều chỉnh đai ốc (31) trên trục ren (32) ta cũng có thể điều chỉnh theo yêu cầu cho dải điều chỉnh vận tốc tăng giảm (trong một khoảng cho phép_thông thường từ 0 ÷ 80%)

- Tác động phản hồi của cơ cấu cố định Khi cơ cấu khung (33) quay : theo chiều kim đồng hồ, đai ốc (27) trên trục ren (29) liên kết qua

các thanh (23), (16), (15) và (13) làm cho con trượt (8) dịch chuyển lên phía trên và tỷ lệ với hành trình dịch chuyển của xylanh sécvô Như vậy, van điều khiển ở một vị trí cân bằng mới tương ứng với mỗi dịch chuyển của xylanh sécvô

Nếu như tổ máy làm việc độc lập, khi xylanh sécvô dịch chuyển sẽ làm thay đổi số vòng quay của tuabin Trong trường hợp tổ máy làm việc song song với các tổ máy khác, khi xylanh sécvô dịch chuyển sẽ không làm thay đổi số vòng quay của tuabin mà chỉ là sự phân bố lại phụ tải cho các tổ máy

Khi các tổ máy làm việc song song với nhau ngoài việc phân bổ hợp ,

lý phụ tải cho các tổ máy đồng thời phải bảo vệ các tổ máy không để xảy ra hiện tượng rối loạn về công suất Nếu như tổ máy được máy điều tốc điều khiển hoạt động ở mức tải bình thường thì sự thay đổi tốc độ có thể dao động trong khoảng từ 3 4%, nhưng nếu làm việc ÷

ở chế độ toàn tải thì sự thay đổi tốc độ chỉ nên đặtở mức 1%

Tác động phản hồi mềm qua bộ giảm chấn và của cơ cấu cơ khí giúp cho hệ thống luôn ổn định và chất lượng điều chỉnh được tốt hơn Khi phụ tải của tổ máy đột ngột tăng cao, số vòng quay của tua bin giảm xuống, quá trình điều chỉnh diễn ra tương tự nhưng theo chiều hướng ngược lại

2.2 Ưu nhược điểm của máy điều tốc cơ – thủy lực.

Trong một thời gian dài, các mẫu điều tốc theo nguyên lý cơ thủy lực – của Áo, Tiệp… đã là sự lựa chọn hàng đầu cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trên thế giới Tuy nhiên, loại này cũng bộc lộ các hạn chế như:

- Do kết cấu cơ khí nên việc bố trí vị trí giữa thiết bị đo, xử lý và cơ cấu chấp hành không thể quá cách xa nhau

- Chỉ có khả năng điều chỉnh duy nhất số vòng quay

- Khó thay đổi các hệ số điều khiển một cách liên tục, tự động

- Thời gian quá độ lớn

- Không có khả năng tự động phân chia công suất giữa các tổ máy

2.3 Xu hướng phát triển hiện nay

Trong giai đoạn phát triển mới hiện nay của thủy điện vừa và nhỏ, với

xu hướng điều khiển đồng bộ một hoặc một vài nhà máy nhằm tiêu chuẩn hóa chất lượng nguồn điện, loại điều tốc điện thủy lực đã trở thành sự lựa chọn –

ưu tiên trong thiết kế và thi công các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ Nhất là khi trong các nhà máy thủy điện, các máy điều tốc tua bin được gắn thêm cácchức năng mới như điều khiển tự động và bảo vệ an toàn tổ máy Chính nhờ

có những ưu điểm vượt trội khi sử dụng kỹ thuật vi xử lý và hệ thống điều khiển SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition_Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu), các máy điều tốc theo nguyên lý điện – thủy lực đã trở thành sự lựa chọn duy nhất cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ ở Nga, Canada, Mỹ v.v Cùng với sự ứng dụng kỹ thuật số trong các hệ thống điều

khiển tự động, máy điều tốc điện – thủy lực thực sự là lựa chọn t ối ưu cho các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ trong giai đoạn hiện nay

Trên hình 2.2 và 2.3 là sơ đồ nguyên lý của các máy điều tốc theo nguyên lý điện – thủy lực Trong đó máy điều tốc, trên hình 2.2, hiện đang được sử dụng cho nhà máy thủy điện Cấm Sơn, Lạng Sơn, với 3 tổ máy, tổng công suất 6,0MW, tuabin Francis trục đứng, sử dụng một động cơ bước điện

để điều khiển van phân phối thủy lực Máy điều tốc trên hình 2.3 là loại sử

dụng van phân phối là van servo, hiện đang sử dụng cho nhà máy thủy điện Cần Đơn, Bình Phước, 2 tổ máy có tổng công suất 77,6MW, tuabin Kaplan trục đứng với cánh điều chỉnh được ác nhà máy này đều sử dụng các hệ Cthống điều khiển tiên tiến, có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu hiện tại và trong tương lai

CHƯƠNG 3: VAN TUYẾN TÍNH (Proportional valve)

3.1 Tầm quan trọng của van tuyến tính

Từ lâu, những thiết bị điều chỉnh áp suất, lưu lượng hoặc phân phối thủy lực thông thường đã được mọi người biết đến Trong các hệ thống thủy lực truyền động tự động thông thường, những thiết bị này vẫn đáp ứng tốt phần lớn các công việc Tuy nhiên, đôi khi có những yêu cầu đòi hỏi sự điều chỉnh áp suất hoặc lưu lượng với độ chính xác cao Nhất là khi có các yêu cầu

về thời gian, chu trình, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào với kết quả là áp suất hoặc lưu lượng ở đầu ra, hoặc có những yêu cầu thay đổi áp suất, lưu lượng trong quá trình hoạt động… Tất cả những yêu cầu này rất khó đáp ứng được bởi một hệ thống truyền động tự động thông thường Đối với các yêu cầu này, các thiết bị điều chỉnh tuyến tính chính là sự lựa chọn tối ưu nhất

Sự khác nhau giữa điều khiển mạch hở (Open Control Circuit) và

Điều khiển mạch hở (Open Control Circuit):

Để hiểu về phương pháp điều khiển này một cách đơn giản, ta xét một

hệ thống có sự điều chỉnh về áp suất thông thường, tín hiệu áp suất đầu vào (p1) được chuyển đổi thành giá trị áp suất ở đầu ra (p2) bởi thiết bị điều chỉnh Mức điều chỉnh (set value_giá trị đặt) có thể thay đổi được bằng tay nhờ các núm vặn điều chỉnh, trong những trường hợp thông thường bộ điều chỉnh sẽ duy trì một mức áp suất ở đầu ra (actual value_giá trị thực)

Như vậy, sẽ rất khó khăn cho việc kiểm tra định lượng áp suất đầu ra được yêu cầu và do đó không có khả năng đánh giá xem giữa biến đặt và giá trị thực có tương đương hay không Ngoài ra, chưa kể đến sự ảnh hưởng không mong muốn từ bên ngoài tác động vào, ví dụ như sự rò rỉ của hệ

thống,… đây chính là các nguyên nhân gây nên sự khác biệt trầm trọng của giá trị thực so với yêu cầu

Trên hình 3.1 là sơ đồ khối của một hệ điều khiển mạch hở ở dạng đơn giản

Regulator

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mạch hở

Điều khiển mạch kín (Closed Loop Control Circuit):

Trong phương pháp điều khiển này, một tín hiệu đầu vào (thường là tín hiệu điện tử điều khiển) được chuyển đổi thành một giá trị đầu ra (ví dụ: giá trị áp suất đầu ra p2) Giá trị ở đầu ra liên tục được đo lường và so sánh với tín hiệu đầu vào Nếu giữa chúng có sự khác nhau, bộ phận điều chỉnh tiếp tục điều chỉnh giá trị đầu ra cho phù hợp với giá trị yêu cầu, quá trình này tạo thành một vòng lặp kín, đảm bảo sự điều chỉnh nhanh và chính xác

Trên hình 3.2 là sơ đồ khối của một hệ điều khiển mạch kín ở dạng đơn giản

Regulatorunit

Measurementunit

3.2 Kỹ thuật sử dụng van tuyến tính

3.2.1 Quá trình phát triển

Từ cuối những năm 1920, khả năng đạt được sự điều chỉnh áp suất và lưu lượng một cách tự động theo các bước nhỏ nhất (stepless) trong các hệ thống thủy lực đã có những bước tiến quan trọng Đặc biệt là khi các van điện

tử thủy lực servo (Electrohydraulic Servo Valves) được phát minh vào cuối những năm 1930, đây thực sự là một thành tựu công nghệ cao thời bấy giờ, mặc dù chi phí cho việc chế tạo lúc đó còn rất cao, nhưng nó vẫn được coi là một giải pháp hữu hiệu trong việc đáp ứng các yêu cầu cao về điều khiển chuyển động Vào giữa những năm 1980, van tuyến tính (Proportional Valve) được đưa ra giới thiệu, nó được đánh giá là loại van có chi phí sản xuất hợp lý hơn và hoàn toàn có thể thay thế cho các van servo Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tự động hóa và điều khiển, kỹ thuật sử dụng van tuyến tính ngày nay đã trở thành một sự liên kết không thể thiếu cho các bộ phận hợp thành của hệ thống thủy lực

3.2.2 Phương thức hoạt động của van tuyến tính

Từ một tín hiệu điện đầu vào xuất phát của một nguồn nào đó, tín hiệu này được đưa tới một card khuếch đại (Amplifier Card), card khuếch đại này

có nhiệm vụ điều khiển cuộn nam châm điện từ của van tuyến tính Do tín hiệu đầu vào thường ở mức công suất thấp hơn rất nhiều so với tổng mức yêu cầu để vận hành cuộn nam châm điện từ của van, vì vậy mà tín hiệu đầu vào cần phải được khuếch đại Chức năng khuếch đại được thực hiện bởi card khuếch đại Card khuếch đại có thể được lắp trực tiếp ngay trên van và thường được gọi là loại OBE (OnBoard Electronics) hoặc cũng có thể được lắp ở cách xa van Nguồn tín hiệu đầu vào có thể được lấy từ một trong số các thiết bị sau: hoặc từ một thiết bị đo điện áp của một máy điều khiển, hoặc từ

một cần điều khiển (joystick) hoặc từ một bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Control)

Card khuếch đại điều khiển cuộn nam châm điện từ của van với tín hiệu

là dòng điện Khi có một dòng điện chạy qua cuộn nam châm điện từ, lực điện động phát sinh, gây nên sự dịch chuyển của phần lõi (phần ứng) của cuộn nam châm điện từ Phần lõi của cuộn nam châm điện từ, khi dịch chuyển lại giữ vai trò như tín hiệu lực đầu vào cho con trượt (spool) của các van phân phối (directional control valves) hay van điều khiển lưu lượng hay còn được gọi là van tiết lưu (flow control valves), van giảm áp (pressure reducing valves) hoặc cho lõi poppet của van an toàn (pressure relief valve) Con trượt hoặc lõi poppet được định vị bằng lò xo Bởi vậy, tín hiệu lực đầu vào của phần lõi cuộn nam châm điện từ bị cản lại bởi lực của lò xo

Hình 3.3: Van phân phối tuyến tính điều khiển trực tiếp với hai cuộn nam

châm điện từ điều khiển

1: Vỏ van; 2, 3: Các cuộn nam châm điện từ điều khiển;

4: Con trượt van; 5, 6: Các lò xo định vị

Rất nhiều van phân phối tuyến tính, giống như kiểu van được minh họa trên hình 3.3, có hai cuộn nam châm điện từ điều khiển, mỗi cuộn nam châm điện từ sẽ điều khiển con trượt van theo một hướng xác định

Van phân phối tuyến tính là van điều khiển về hướng của dòng chảy Đặc biệt là van có khả năng thay đổi độ dịch chuyển của con trượt một cách tuyến tính Phần lớn các bộ phận của những van tuyến tính hai cuộn nam châm điện từ điều khiển đều được bố trí trên các van phân phối on/off tiêu chuẩn Khác biệt lớn nhất giữa van phân phối on/off với van phân phối tuyến tính là:

1) Cuộn nam châm điện từ điều khiển của van phân phối tuyến tính được thiết kế để sinh ra lực với nhiều mức độ hơn so với cuộn nam châm điện từ điều khiển của van phân phối on/off

2) Các van phân phối tuyến tính luôn yêu cầu nguồn điện một chiều (DC) cho các cuộn nam châm điện từ điều khiển

3) Trong khi phần vỏ của van phân phối on/off và van phân phối tuyến tính hầu như luôn giống nhau, thì con trượt của chúng lại có sự khác biệt khá rõ:

a) Con trượt trong van phân phối tuyến tính được thiết kế phù hợp cho việc điều khiển lưu lượng qua van

b) Con trượt trong van phân phối tuyến tính đáp ứng tốt cho dải lưu lượng được quy định bởi cỡ của van

c) Con trượt trong van phân phối tuyến tính thường được gắn kèm bộ phận cảm biến về vị trí, có tác dụng như một dụng cụ báo mức lưu lượng tương ứng với các giá trị của tín hiệu điều khiển đầu vào

Một số van phân phối tuyến tính chỉ có một cuộn nam châm điện từ điều khiển Nét đặc trưng của những van này là có 4 vị trí, trong khi thực sự chỉ là 3 Hình 3.4 cho ta thấy ký hiệu dưới dạng giản đồ của một van phân phối tuyến tính có một cuộn nam châm điện từ điều khiển 4/4 (4 cửa, 4 vị trí)

Hình 3.4: Ký hiệu của van phân phối tuyến tính 4/4, có một cuộn nam

châm điện từ điều khiển

Một điều cần lưu ý, trong trạng thái không hoạt động thì tất cả các cửa đều đóng Khi thay đổi vị trí con trượt về vị trí trung gian, con trượt phải đi qua một vị trí mà ở đó một cửa làm việc sẽ được nối với đường có áp cửa làm việc còn lại thông với đường hồi Mặc dù con trượt chỉ lướt qua vị trí này rất nhanh, sự ảnh hưởng của nó lên hệ thống vẫn rất đáng kể Khi mà xảy ra sự

cố không mong muốn trong quá trình hoạt động của cuộn nam châm điện từ điều khiển (hoặc là do tín hiệu điều khiển hoặc do tín hiệu điện bị sai) thì sự ảnh hưởng này cần phải được xét đến Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng ngay các cuộn nam châm điện từ điều khiển của các van có vị trí nằm giữa van phân phối tuyến tính và cơ cấu chấp hành, có dạng phù hợp, để ngăn chặn những sự cố ngoài ý muốn Những van phan phối tuyến tính 4 cửa, một cuộn nam châm điện từ điều khiển có xu hướng trở thành những van có hiệu suất cao tương đương với những van phân phối tuyến tính hai cuộn nam châm điện từ điều khiển Những van này thường được gọi với tên gọi do các nhà sản xuất đặt ra “van servo tuyến tính” (servo – – proportional valves), ám chỉ đến hiệu suất động học cao hơn của chúng Tính hiệu suất cao của chúng bắt nguồn từ thực tế là sự dịch chuyển của con trượt van từ vị trí trung gian không

bị ảnh hưởng bởi hiện tượng trễ đặc trưng do lò xo định vị gây ra, một hiện