ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT MÁY PHÁT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ QUAY CỦA ROTOR

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT MÁY PHÁT BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ QUAY CỦA ROTOR

GVHD: PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử

THAY ĐỔI TỐC ĐỘ QUAY CỦA ROTOR

Họ và tên giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trương Việt Anh Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi và ghi rõ họ tên)

Contents

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Phạm vi ứng dụng của đề tài 1

3 Tính cần thiết đối với xã hội 1

3.1 Đối với hộ tiêu thụ 1

3.2 Đối với hệ thống điện 1

4.1 Giới thiệu đối tượng điều khiển 4

4.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển 6

5 Nguyên lí vận hành của hệ thống điều khiển đề xuất 7

6 Xác định các thông số thiết kế của một hệ thống điều khiển 8

6.1 Yêu cầu về chất lượng điều khiển 8

6.2 Yêu cầu về tần số của đối tượng điều khiển 9

6.3 Yêu cầu về tần số cần được duy trì 9

7 Phương án cung cấp điện và điều khiển 9

7.1 Sơ đồ phương án cung cấp điện 9

7.2 Phương pháp điều khiển 10

8 Đánh giá sơ đồ mạch điều khiển 12

9 Nguyên lí hoạt động của sơ đồ điều khiển 12

10 Giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển 13 11 Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha, thay đổi tần số nguồn bằng biến tần trên phần mềm Matlab simulink 14

11.1 Sơ đồ khối 14 11.2 Kết quả mô phỏng 15

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

- Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, đường dây, trạm biến áp là một thể thống nhất Chất lượng điện năng được đánh giá bởi hai thông số kỹ thuật là điện áp và tần số Trong đó điện áp có tính chất cục bộ, tần số mang tính hệ thống hay nói cách khác là tần số có giá trị như nhau tại mỗi nút trong hệ thống điện Độ lệch tần số ảnh hưởng đến hoạt động của tất cả các thiết bị trong hệ thống điện

đột ngột) làm cho tần số của hệ thống có thể tăng hoặc giảm phụ thuộc vào sự thay đổi P tải

2 Phạm vi ứng dụng của đề tài

- Các bộ điều khiển tần số luôn có mặt trong các nhà máy phát điện để tránh nguy cơ tần số thay đổi so với tần số tham chiếu

- Trên động cơ diesel nếu muốn ổn định vận tốc của trục khuỷu ở một tốc độ nào đó khi chúng ta giữ cố định cần ga thì phải tăng thêm nhiên liệu khi mức tải của động cơ tăng lên đột xuất

3 Tính cần thiết đối với xã hội 3.1 Đối với hộ tiêu thụ

Khi có sự thay đổi về tần số thì có thể gây ra một số hậu quả xấu vì: - Các thiết bị được thiết kế và tối ưu ở tần số định mức

- Biến đổi tần số dẫn đến giảm năng suất làm việc của các thiết bị

- Làm giảm hiệu suất của thiết bị ví dụ như động cơ, thiết bị truyền động - Ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình sản xuất

3.2 Đối với hệ thống điện

- Biến đổi tần số ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị tự dùng trong các nhà máy là điện, có nghĩa ảnh hưởng đến chính độ tin cậy cung cấp điện

- Tần số suy giảm có thể dẫn đến ngừng một số bơm tuần hoàn trong nhà máy điện, tần số giảm nhiều có thể dẫn đến ngừng tổ máy

- Thiết bị được tối ưu hóa ở tần số 50 Hz, đặc biệt là các thiết bị có cuộn dây từ hóa như máy biến áp.,

- Làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống

- Tần số giảm thường dẫn đến tăng tiêu thụ công suất phản kháng, đồng nghĩa với thay đổi trào lưu công suất tác dụng và tăng tổn thất trên các đường dây truyền tải - Tính ổn định của khối tuabin máy phát

4 Mục tiêu

- Tìm hiểu và nắm rõ được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển PID điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng ( tần số và điện áp)

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển và ứng dụng để điều khiển hệ thống điều khiển PID trong máy phát điện

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Là bộ điều khiển hệ thống điều tốc độ tua bin khí của máy phát điện - Nghiên cứu nguyên lý làm việc và điều khiển của hệ thống điều khiển PID

6 Nhiệm vụ

- Điều hòa dòng chảy của khí đốt để tăng hoặc giảm công suất máy phát

7 Chức năng

- Đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho lưới, đáp ứng kịp thời sự thay đổi công suất của tải

8 Giải pháp

- Sử dụng hệ thống PID điều khiển tốc độ tuabin cung cấp cơ năng cho máy phát điện

CHƯƠNG II: NỘI DUNG 1 Lịch sử phát triển

Bộ điều tốc ly tâm đầu tiên được chế tạo vào năm 1788 bởi James Watt theo sự đề nghị của Matther Boulton Nó được miêu tả như một bộ điều tốc có hai con lắc tạo thành một hình nón Sau nhiều lần đổi mới, nó được Watt sử dụng trong động cơ hơi nước của mình Tuy nhiên ông không bao giờ tuyên bố bộ điều tốc ly tâm là một sáng chế của mình Nhiều người lầm tưởng Watt là người đầu tiên sáng chế ra thiết bị này, nhưng nó đã được sử dụng để điều chỉnh khoảng cách và áp suất giữa các đá nghiền và cánh quạt trong các cối xay gió từ thế kỉ 17

Hình 1 Mô hình bộ điều tốc ly tâm đầu tiên

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2.1 Cấu tạo

Một bộ điều tốc ly tâm đơn giản gồm có:

- Một ròng rọc để nối bộ điều tốc với động cơ bởi một dây curoa - Hai quả nặng được gắn vào một cánh tay đòn

- Cánh tay đòn này được gắn bắt chéo qua một trục cố định

- Phía cuối 2 cánh tay đòn được gắn 2 thanh ngắn bởi 1 trục khác 2 thanh ngắn này được gắn vào một vòng đai có thể trượt trên trục

- Vòng trượt được nối với một hệ thống (có thể là đòn bẩy) để đến một van điều tiết của ống dẫn nhiên liệu

2.2 Nguyên lí hoạt động

Động cơ quay khiến cho bộ điều tốc quay vì chúng được nối bởi rây curoa Năng lượng được truyền từ động cơ đến bộ điều tốc Các quả nặng sẽ bị văng ra xa khi trục quay quay nhanh bởi lực ly tâm Cánh tay đòn của vật nặng bị nâng lên và vì được nối với một van điều tiết sẽ làm đóng van này khiến lượng nhiên liệu nạp vào giảm đi và làm cho động cơ quay chậm lại Nếu động cơ quay chậm đi, các quả nặng sẽ bị kéo xuống bởi tác dụng của trọng lực, các cánh tay đòn bị kéo xuống và làm mở van điều tiết khiến nhiên liệu được nạp vào nhiều hơn và động cơ quay nhanh hơn Cứ như vậy, bộ điều tốc giữ động cơ ở một tốc độ quay ổn định

3 Ưu và nhược điểm 3.1 Ưu điểm

- Điều chỉnh được tốc độ của đối tượng được điều khiển - Cấu trúc đơn giản, dễ dàng vận hành

3.2 Nhược điểm

- Được thiết kế bằng những chi tiết cơ khí là một hạn chế - Độ chính xác thấp hơn nhiều so với các bộ điều tốc điện tử - Độ đáp ứng chậm

4 Chọn hệ thống điều khiển

4.1 Giới thiệu đối tượng điều khiển

Động cơ điện tiêu thụ khoảng 65% tổng năng lượng điện, tiêu thụ khoảng 75% tổng năng lượng điện trong công nghiệp và máy điện không đồng bộ chiếm hơn 90% trong số đó Lý do máy điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến là vì tính mạnh mẽ, tin cậy, bền bỉ, dễ bảo trì và tương đối rẻ, kích thước gọn nhẹ hơn so với động cơ một chiều cùng công suất

Về mặt cấu tạo, động cơ không đồng bộ 3 pha có cấu tạo khá đơn giản gồm stator và

gian Rotor có 2 loại:

Rotor dây quấn gồm 3 dây quấn đặt lệch nhau 1200 trong không gian và thường được nối sao, đưa 3 đầu dây ra bên ngoài nhờ hệ thống vành trượt và chổi than, khi làm việc, dây quấn rotor như hình 6-2 phải được nối kín mạch

Rotor lồng sóc (phổ biến hơn vì có nhiều ưu điểm) gồm có lõi thép hình trụ bên ngoài có xẻ rãnh để đặt các thanh dẫn và được nối ngắn mạch lại giống như lồng sóc

Hình 2 Động cơ 3 pha rotor lồng sóc

Hình 3: Động cơ 3 pha rotor dây quấn

Hình 4: Mạch tương đương 1 pha của stator và rotor

Khi cấp nguồn xoay chiều 3 pha vào dây quấn stator, trong stator sinh ra từ trường 3 quay, Từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dẫn rotor sức điện động E2 làm sinh ra dòng điện trong thanh dẫn rotor, và làm rotor quay cùng chiều từ trường quay nhưng với tốc độ |n| < |ns| (chế độ động cơ) nên gọi động cơ không đồng bộ Vì vậy, ở điểm làm việc định mức có tốc độ định mức gần bằng tốc độ đồng bộ Khi đó, dòng điện rotor cũng cảm ứng lên stator sức điện động E1

Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ: - Thay đổi tần số của điện áp nguồn cấp - Thêm điện trở phụ

- Thay đổi điện áp nguồn cấp

4.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động)|bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có

thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

Hình 5: Sơ đồ điều khiển PID

5 Nguyên lí vận hành của hệ thống điều khiển đề xuất

Hình 6: Sơ đồ nguyên lí điều khiển

Một đĩa tròn xoay sẽ xoay quanh các trục, trên đĩa thì sẽ có các lỗ rãnh, sau đó người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay chỗ không có các lỗ rãnh thì đèn led không thể chiếu qua được, chỗ có lỗ rãnh thì đèn led sẽ xuyên qua và khi đó phía bên kia con mắt thu sẽ thu được các tín hiệu số (0 và 1), dữ liệu này sẽ được đưa vào vi điều khiển để xử lí và so sánh với giá trị tham chiếu Ở đây chúng ta cần biết tốc độ động cơ

Tốc độ vòng/phút = ( pulse/s x 60 )/ độ phân giải

Tốc độ của động cơ sẽ được so sánh với tốc độ tham chiếu đã đặt trước Sau đó vi điều khiển sẽ tác động tới biến tần, để thay đổi tần số và điện áp đầu ra cung cấp cho stator của động cơ 3 pha không đồng bộ giúp thay đổi tốc độ của động cơ và cũng như tốc độ biến thiên của từ thông phía stator của động cơ 3 – pha đồng bộ Làm tăng hoặc giảm công suất động cơ theo nhu cầu tải

6 Xác định các thông số thiết kế của một hệ thống điều khiển 6.1 Yêu cầu về chất lượng điều khiển

Yêu cầu đầu tiên của một hệ thống điều khiển tự động là hệ thống phải giữ được trạng thái ổn định khi chịu tác động của tín hiệu vào và chịu ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu lên hệ thống

Hệ phi tuyến có thể ổn định trong phạm vị hẹp khi độ lệch ban đầu là nhỏ và không ổn định trong phạm vị rộng nếu độ lệch ban đầu là lớn

Ngoài tính ổn định một hệ thống điều khiển cần phải đáp ứng một số yêu cầu khác

6.2 Yêu cầu về tần số của đối tượng điều khiển

Hình 7: Sự ảnh hưởng của tần số nguồn cấp

Khi thay đổi tần số, dẫn đến thay đổi tốc độ đồng bộ và điện kháng Dạng đặc tính cơ thay đổi như hình 4 Việc tăng tần số nguồn cấp có thể giúp tăng tốc độ làm việc và giảm dòng điện động cơ, tuy nhiên, điều này làm giảm khả năng mang tải do mô men động cơ suy giảm, và ngược lại Do đó, trong thực tế sử dụng, khi thay đổi tần số nguồn cấp thì cũng cần thay đổi điện áp để ổn định mô men động cơ Nhưng trong bài tiểu luận này động cơ 3 – pha không đồng bộ được xem như một turbin giúp tạo từ trường quay cho máy phát

cơ không cần quan tâm đến điện áp

6.3 Yêu cầu về tần số cần được duy trì

Ở Việt Nam sử dụng điện 380V/220V – 50Hz bởi vì tần số lớn hơn, các thiết bị cần có cách điện cao hơn và tốn kém hơn Đối với đường dây điện có tần số cao sẽ đòi hỏi sụt áp cao hơn và đường dây tải cũng cần lớn hơn Qua đó gây tốn kém chi phí và vật liệu Khi tần số thấp với các tải nhạy cảm như động cơ sẽ bị ảnh hưởng rất lớn, ngoài ra một vấn đề dễ thấy và với tần số thấp của hệ thống thì những thiết bị chiếu sáng trong mỗi nhà sẽ trở nên nhấp nháy vì mắt người sẽ kịp bắt được ánh sánh đó

7 Phương án cung cấp điện và điều khiển 7.1 Sơ đồ phương án cung cấp điện

Hình 8: sơ đồ đi dây của hệ thống

7.2 Phương pháp điều khiển

Hình 9: sơ đồ đi dây của khối điều khiển

Cấp nguồn 12V cho Arduino

Ngõ ra out của cảm biến kết nối với chân số 7 của Arduino Arduino cấp nguồn 5V qua chân Vin cho cảm biến

Chân AI1 của biến tần kết nối với chấn số 6 của Arduino

7.2.1 Phương pháp điều khiển

Phương pháp điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog: Với phương pháp nếu muốn biến tần chạy theo tốc độ nào thì ta tiến hành nhập tốc độ ấy trực tiếp trên Arduino, yêu cầu người lập trình phải biết sử dụng analog

Đây là phương pháp sử dụng nhiều nhưng cần lưu ý chọn analog dạng dòng để tránh bị nhiễu trong quá trình hoạt động

7.2.2 Chế độ điều khiển : PID (arduino UNO)

PID là một thuật toán điều khiển được áp dụng rất nhiều trong quá trình điều khiển Bạn có thể hiểu nôm na là ví dụ muốn đi một đoạn đường từ A đến B, thuật toán PID sẽ điều khiển bạn từ điểm A với vận tốc bằng 0 sau đó tăng tốc độ lên tối đa và đảm bảo chính xác bạn tới đúng vị trí B với thời gian nhanh nhất, kèm sai số nhỏ nhất So với chế độ điều khiển ON-OFF thì độ chính xác của PID luôn tỏ ra vượt trội tuy nhiên đi kèm với đó là thường yêu cầu hồi tiếp bằng cảm biến để đo sai số thực tế

Trong biến tần thuật toán PID bao gồm các thông số sau:

- Đầu tiên là giá trị cài đặt sử dụng bằng ngõ vào analog

- Tiếp theo là giá trị phản hồi về là cảm biến áp có ngõ ra analog để biến tần có thể nhận được

- Ngõ ra của bộ PID này sẽ quyết định tần số ngõ ra của biến tần

Thuật toán PID sẽ điều khiển ngõ ra sao cho tín hiệu phản hồi sẽ ổn định theo thời gian so với giá trị cài đặt

Cài đặt cơ bản chế độ PID trong biến tần:

- Đầu tiên chọn chế độ điều khiển PID trong biến tần, sau đó chọn nguồn tham chiếu giá trị cài đặt( analog ngõ vào), giá trị phản hồi( analog input), tiếp theo một bước tương đối quan trọng là cài đặt hệ số cho PID

- Mỗi hệ thống sẽ có một hệ số PID khác nhau ta có thể tăng giảm các hệ số này bằng tay cho đến khí nào hệ thống cho ra thời gian đáp ứng và sai số nhỏ nhất thì thôi - Cách cài thông số cho bộ PID các bạn có thể theo nguyên tắc như sau: Đầu tiên tăng từ

từ thông số Kp của hệ thống lên cho đến khi nào thấy biến tần đáp ứng đủ nhanh thì dừng, sau đó tăng thêm Kd và Ki lên để giảm sai số và thời gian xác lập

8 Đánh giá sơ đồ mạch điều khiển

Ưu điểm :

- Dễ kết nối với hệ thống điều khiển tự động

- An toàn, tiện lợi ít tốn chi phí bảo trì, bảo dưỡng - Hiệu suất làm việc của biến tần cao hơn 98%

- Tăng tốc êm, chống giật giúp giảm áp lực lên hệ thống cơ khí

- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần rất đơn giản và rất phổ biến Nhược điểm :

- Giá thành cao

- Bên trong biến tần là các linh kiện bán dẫn nên rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường

- Thiết lập chế độ làm việc của biến tần phức tạp

- Encoder tương đối dễ bị sai lệch về xung khi trả về Sẽ tích lũy sai số khi hoạt động lâu dài

9 Nguyên lí hoạt động của sơ đồ điều khiển

Tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung vuông có tần số thay đôi phụ thuộc vào tốc độ động cơ Do đó các xung vuông này được đưa vào bộ Arduino để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta có thể tính được giá trị tốc độ của động cơ Giá trị tốc độ này sẽ được so sánh với giá trị tốc độ tham chiếu và điều chỉnh sao cho hiệu số giữa