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

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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 1 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƢỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA 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 Xn Tùng Lớp : CH - K13 Chun 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 Xn Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 2 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng LỜI CAM ĐOAN Tơi là: Tạ Xn Tùng học viên lớp cao học khố 13 - Tự Động Hố Trƣờng đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Ngun. Hiện nay tơi đang cơng tác tại Cơng ty Điện lực Thái Ngun. 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 cơng trình nghiên cứu riêng của tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều đƣợc ghi trong danh mục tham khảo, khơng sử dụng tài liệu nào khác mà khơng đƣợc ghi trong danh mục. Tơi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng nhƣ trong đề cƣơng và u cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm. . Ngƣời cam đoan Tạ Xn Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 3 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng 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 hồn 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 hồn thành luận văn này. Khoa sau đại học, các thầy giáo, cơ giáo trong khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun đã giúp đỡ tác giả trong suốt q trình học tập cũng nhƣ q trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt q trình học tập. Tác giả Tạ Xn Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 4 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng 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. Cơng 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 thơng 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 5 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng 2.1. Xây dựng mơ hình tốn 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 khơng 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 mơmen (DTC) 49 3.2. Thơng 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 mơ phỏng 51 3.3.1. Sơ đồ mơ 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 mơ men 54 3.3.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển mơ men 54 3.3.9. Sơ đồ khối bộ phát xung phía động cơ 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 6 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng 3.4. Các kết quả mơ phỏng 55 3.5. Nhận xét 60 3.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 7 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng 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. Mơ hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi 30 Hình 2.2 Mơ hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn 30 Hình 2.3 Mơ hình đơn giản của ĐCĐB ba pha 37 Hình 2.4 thiết lập các vector khơng gian từ các đại lƣợng pha 38 Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dƣới dạng vector khơng 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 khơng gian bất kỳ V 40 Hình 2.7: Biểu diễn vector khơng 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 mơmen (DTC) 48 Hình 3.3: Sơ đồ ngun lý phần lực truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 8 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng Hình 3.4: Sơ đồ mơ 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 mơ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 9 - CBHDKH: PGS. TS. Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Ở bất kì nƣớc nào, nguồn năng lƣợng điện ln đƣợc coi là ngành cơng nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó ln 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 cơng suất lớn nhƣ trong các ngành cơng nghiệp,và những nơi khơng có điện lƣới nhƣ ngồi 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 tồn và bền vững của tồn 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 khơng 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. [...]... điện áp thứ tự khơng  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 cơng suất phản kháng phát vào lƣới... để khơng 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... 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 thơng 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. .. Cơ cấu điều tốc n U Máy phát M_ M_ Cảm biến vị trí M_ Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển số 1.5 Các hệ thống truyền động cho hệ ổn định tần số Vì u cầu cơng 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... 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. .. 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: CBHDKH: PGS TS Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 25 - Bộ điều khiển vị trí A Bộ ĐK tốc độ A MP U D D Động cơ Cơ cấu điều tốc... máy phát Diesel kéo máy phát Ppt : Cơng suất của phụ tải điện : Tổn thất cơng suất tác dụng Mơ men kéo của máy phát diesel MT Trong đó: QH (1.7) : Hằng số Q : Lƣu lƣợng nƣớc vào máy phát diesel H : Độ chênh áp suất đầu và cuối máy phát diesel CBHDKH: PGS TS Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 18 - : Hiệu suất máy phát diesel Để ổn định tần số máy phát. .. 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 Ngun, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn Tạ Xn Tùng CBHDKH: PGS TS Võ Quang Lạp HVTH: Tạ Xn Tùng Số hóa bởi... Thiết bị tự động điều chỉnh điện áp làm việc nhằm giữa điện áp khơng đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải biến động Ngồi ra thiết bị tự động điều chỉnh điện áp còn nhằm nâng cao giới hạn cơng 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.. .Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - 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 khơng gây . 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 Số hóa bởi Trung. 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 cơng trình nghiên cứu riêng của tơi. Tất cả. thứ tự khơng.  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