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

Máy phát Diesel đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vận tải thủy, vận tải bộ và sử dụng ở nhưng nơi cần có nguồn điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CB HƯỚNG DẪN

PGS-TS Võ Quang Lạp Tạ Xuân Tùng

LỜI CAM ĐOAN

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

Trường đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên

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

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

tần số máy phát Diesel” dưới sự hướng dẫn của PGS – TS Võ Quang Lạp

là công trình nghiên cứu riêng của tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không được ghi trong danh mục

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Người cam đoan

Tạ Xuân Tùng

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng

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

được hoàn thành

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

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

giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

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

đỡ trong suốt quá trình học tập

Tác giả

Tạ Xuân Tùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

1.1 Công dụng máy phát Diesel 12

1.2 Chất lượng điện năng của máy phát điện 12

1.2.1 Đặt vấn đề 12

1.2.2 Ổn định tần số của máy phát điện 17

1.2.3 Ổn định tần số thứ cấp 18

1.2.4 Ổn định tần số sơ cấp 18

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

1.4 Các phương án thiết kế 24

1.4.1 Hệ điều khiển tương tự 23

1.4.2 Hệ điều khiển số 23

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

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

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

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

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

2.4 Phương trình động học của động cơ điện đồng bộ 3pha trên tọa độ các vecto không gian 35

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

CHƯƠNG 3

KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG 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 hướng theo từ trường (FOC) 45

3.1.2 Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 49

3.2 Thông số của hệ thống 49

3.2.1 Động cơ PMSM 49

3.2.2 Số liệu về biến tần 4Q 49

3.3 Sơ đồ mô phỏng 51

3.3.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống 51

3.3.2 Sơ đồ khối mạch động lực của hệ thống 52

3.3.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển biến tần 52

3.3.4 Sơ đồ khối tính giá trị đặt dòng điện 53

3.3.5 Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện 53

3.3.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển uDC 54

3.3.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men 54

3.3.8 Sơ đồ khối bộ điều khiển mô men 54

3.3.9 Sơ đồ khối bộ phát xung phía động cơ 55

3.4 Các kết quả mô phỏng 55

3.5 Nhận xét 60

3.4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

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: Đường đặc tính tĩnh (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3) 20

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

Hình 1.7: Hệ thống điều khiển kín dùng Loadcell 24

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

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

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

Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha 37

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

Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα và isβ Thuộc hệ tọa độ Stator cố định 39

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

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

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

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

3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu 46

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 48

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý phần lực truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

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

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

Hình 3.5: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 52

Hình 3.6: Triển khai chi tiết INVERTER 52

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

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

Hình 3.9 Triển khai chi tiết khối SubSystem 54

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

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

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

Hình 3.13:Đồ thị tốc độ của hệ điều khiển máy phát Diesel sử dụng ĐC đồng bộ kích thích vĩnh cửu 55

Hình 3.14: Đồ thị mô men 56

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

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

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ở bất kì nước nào, nguồn năng lượng điện luôn được coi là ngành công nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó luôn thúc đẩy các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả

và chi phí phải được coi trọng đặc biệt

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

nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vận tải thủy, vận tải bộ

và sử dụng ở nhưng nơi cần có nguồn điện công suất lớn như trong các ngành công nghiệp,và những nơi không có điện lưới như ngoài đảo xa

Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an toàn

và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp của hệ thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là không thể thiếu

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học:

Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là một hệ điều khiển hiện đại cho nên việc nghiên cứu nó là cần thiết Từ đó có thể nắm vững lý thuyết về hệ thống và ứng dụng hệ điều khiển các thiết bị thực tế

b Ý nghĩa thực tiễn:

Hệ điều khiển tần số máy phát Diesel là hệ điều khiển được ứng dụng khá phổ biến trong thực tế Việc tìm hiểu này giúp cho việc khai thác sử dụng máy phát Diesel được hiệu quả nhất

3 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận văn là nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tần số máy phát Diesel sao cho hệ thống đạt tối ưu 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 lượng nguồn điện phát ra ổn định nhất để không gây hại cho các thiết bị sử dụng

Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống truyền động tự động ổn định tấn số máy phát Diesel trong cac lĩnh vực phổ biến

Nghiên cứu để đề suất những phương án truyền động chất lượng cao cho hệ thống điều khiển tần số máy phát Diesel

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

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

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

5 Nội dung nghiên cứu

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:

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 lượng hệ điều khiển tần số máy phát Diesel

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Tạ Xuân Tùng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL

1.1 CÔNG DỤNG MÁY PHÁT DIESEL

Ở bất kì nước nào, nguồn năng lượng điện luôn được coi là ngành công nghiệp mang tính cốt lõi cho sự phát triển của nền kinh tế.Nó luôn thúc đẩy các ngành khác, việc sản xuất và sử dụng điện một cách phù hợp về hiệu quả

và chi phí phải được coi trọng đặc biệt

Máy phát Diesel đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vận tải thủy, vận tải bộ và

sử dụng ở nhưng nơi cần có nguồn điện công suất lớn như trong các ngành công nghiệp,và những nơi không có điện lưới như ngoài đảo xa

Trong hệ thống điện, sự ổn định của mỗi máy phát Diesel ở các khía cạnh kỹ thuật đều có tính chất quan trọng nhất định đến sự vận hành an toàn và bền vững của toàn hệ thống và ở các máy phát đó thì sự đóng góp của hệ thống tự ổn định tần số máy phát cùng với các bộ ổn định khác là không thể thiếu

1.2 CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

1.2.1 Đặt vấn đề

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

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

cấp cho phụ tải Trong quá trình làm việc điện áp thay đổi làm cho các thiết bị điện thay đổi chế độ làm việc Ví dụ khi điện áp giảm trong mạng điện chiếu sang sẽ làm giảm hiệu quả phát sáng của đèn chiếu sáng Động cơ điện xoay

chiều cũng như động cơ điện một chiều khi điện áp giảm làm tốc độ động cơ giảm Khi điện áp giảm không đảm bảo điều kiện hòa vào lưới điện

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

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

để hòa vào lưới điện Nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều khi tần số giảm thì tốc độ của động cơ cũng giảm

Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số và điện áp không đảm bảo sẽ dẫn đến sự gia tăng chi phí vốn đầu tư, chi phí vận hành, giảm năng suất và hiệu quả làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số và điện áp không chỉ gây thiệt hại cho bản thân hệ thống điện mà cho tất cả các ngành kinh tế khác

Vì vậy khi thiết kế vận hành cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo và nâng cao chất lượng tần số và điện áp Do đó để giải quyết điện áp và tần số chúng

ta nghiên cứu các hệ thống tự động ổn định

Ổn định điện áp

- Chỉ tiêu của chất lượng điện áp

+ Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây) so với giá trị định mức

+ Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp

1 sin

U U

Trong đó:

2

2

U U

U1: Điện áp thành phần cơ bản

sin Khi xác định độ không hình sin của điện áp thường chỉ cần tính đến song bậc 1,3 là đủ

+ Độ không đối xứng của điện áp

A

U

aU U

a U

U

U U U

3

/ /

Để cung cấp một cách tin cậy dòng điện một chiều cho cuộn kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp với công

suất định mức đủ lớn Thông thường đòi hỏi công suất định mức của hệ thống kích từ bằng (0.2 ÷0,6)% công suất định mức của máy phát

Dòng kích từ chạy trong cuộn dây roto của máy phát điện là dòng điện một chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng Hệ thống kích từ, điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự động điều chỉnh kích từ Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bị điều chỉnh kích từ

có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lượng điều chỉnh điện áp mà còn đến tính ổn định hệ thống

Trong thực tế người ta có 4 phương pháp để điều chỉnh dòng kích từ một cách tự động đó là các phương pháp sau:

- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều

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

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

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

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR

Bộ điều chỉnh điện áp tự động luôn luôn theo dõi điện áp đầu ra của máy phát điện và so sánh nó với một điện áp tham chiếu Nó phải đưa ra những mệnh lệnh để tăng giảm dòng điện kích thích sao cho sai số giữ điện áp đo được và điện áp tham chiếu là nhỏ nhất Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này Điện áp tham chiếu thường được đặt tại giá trị định mức khi máy phát vận hành độc lâp (Isolated) hoặc là điện áp thanh cái, điện áp lưới tại chế độ vận hành hòa lưới (Paralled)

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

Mỗi hệ thống kích từ của máy phát được trang bị một bộ tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR) Bộ AVR được đấu nối với các biến điện áp một pha ll0V riêng biệt nhau nằm trong tủ thiết bị đóng cắt máy phát Bộ AVR đáp ứng được thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát và không phụ thuộc vào tần số Bộ AVR là loại điện tử kỹ thuật số, nhận tín hiệu đầu vào là điện áp 3 pha tại đầu cực máy phát, sử dụng nguyên

lý điều chỉnh PID theo độ lệch điện áp đầu cực máy phát, nó cũng có chức năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và hằng số dòng điện trường

Bộ AVR cơ bản gồm có một vòng lặp điều chỉnh áp bằng các tín hiệu tích phân tải để đạt được sự ổn định tạm thời và ổn định động Đo lường điện

áp máy phát được thực hiện trên cả ba pha Độ chính xác của điện áp điều chỉnh nằm trong trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, trong các chế độ vận hành

từ không tải tới đầy tải

Một tín hiệu điều khiển từ bên ngoài được tác động vào bộ AVR để thay đổi liên tục giá trị điều chỉnh mẫu mà không cần bất cứ một bộ phận quay nào Một mạch cản có thể được sử dụng để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên ngoài, nếu cần thiết

1.2.2 Ổn định tần số của máy phát điện

Như ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lượng điện năng của toàn

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

số ở mọi điểm đều giống nhau Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp (máy phát Diesel) kéo máy phát điện với phụ tải tác dụng của máy phát điện

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

P T P pt

Trong đó: P T : Công suất của máy phát Diesel kéo máy phát

P pt : Công suất của phụ tải điện

(1.7)

Trong đó: : Hằng số

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

: Hiệu suất máy phát diesel

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

và ổn định sơ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng phương pháp

1.2.3 Ổn định tần số thứ cấp

Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đưa tần số về trị số định mức Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho tuabin Nhờ cơ cấu đo lường khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu điều khiển

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

Scav limiter

Fule Limiter

PID TROL

RE-FUEL PUMP

DIESEL ENGINE

P/U

DEC INC

ENGINE RPM CONTROL UINT

PRM NAL

SIG-SERVO PANEL

GOV.ACTUA TOR

SERVO MOTOR DRIVER

ACTUAL ACT POS.SIGNAL

)

(-SERVO MOTOR

REDUCTION GEAR

PRM ORDER

SIGNAL

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

độ lệch tức thời của tần số Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện kháng hoặc điện dung nối song song Khi tần số hệ thống bằng định mức thì

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 đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp

Sơ đồ cơ cấu đo tần số được thể hiện trên hình 1.3 Các tham số L và C của bộ lọc tần BLT được chọn sao cho U1 = U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế

đầu ra hai bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0 Giá trị đưa vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt Khi tần số lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi đó UL = jω.L.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn UR =

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

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

1.2.3.2 Ổn định tần số sơ cấp

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

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

sơ đồ khối của hệ thống điều tốc máy phát điện Diesel được thể hiện như hình

vẽ Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của rotor – máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải

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

.

p n f

Trong đó:

p - Số đôi cực của máy phát điện

n - Số vòng quay của máy phát điện

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

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

được đăc trưng bởi một số thông số chủ yếu sau:

Bộ Điều khiển

Cơ cấu Điều tốc

Cảm biến

vị trí (P/U)

f

Độ sai lệch

Độ sai lệch δ trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ chênh lệch giữa vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải với vòng quay trung bình:

tb

H kt

n

n n

Trong đó:

2

H kt tb

n n

cb

cb cb kn

Trong đó, ω,

cb, ω”cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ

Trong bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ Trong điều kiện làm việc độc lập, độ không nhạy ảnh hưởng không nhiều tới chất lượng làm việc của động cơ Khi làm việc song song, chỉ cần có độ nhạy nhỏ cũng có thể gây

ra độ sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống điều chỉnh có thể được xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhạy của động cơ

Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác động cơ và bảo dưỡng Với các động cơ làm việc song song mặc dù động

cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhưng vùng không nhạy không hoàn toàn giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận

Độ thay đổi vòng quay lớn nhất φ là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:

dd H

Độ không ổn định vòng quay tương đối

Độ không ổn định vòng quay tương đối ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tương đối (định mức, không tải …)

H

s

hay

kt s

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

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

Thời gian điều chỉnh

Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép

thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định

Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển số

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

Vì yêu cầu công nghệ của việc điều chỉnh tần số của máy phát điện và thực chất là điều chỉnh bộ điều tốc, chúng ta có thể xem xét nghiên cứu các hệ thống sau đây để lựa chọn các phương án truyền động cho thích hợp

- Hệ thống truyền động TĐ Với hệ thống này chúng ta có thể thiết kế để thỏa mãn được yêu cầu truyền động ổn định tần số Hệ thống này cũng đang được sử dụng trong công nghiệp, song với yêu cầu của hệ ổn định tần số nó

có nhược điểm sau:

1) Mặt điều khiển rất phức tap, thông thường hệ truyền động được ứng dụng cho công suất lớn (hệ trong hệ ổn định tần số công suất nhỏ)

2) Xung điện áp động cơ điện một chiều

Hệ thống này so với hệ thống truyền động có nhiều ưu điểm hơn, nhưng

so với yêu cầu truyền động ổn định tần số máy Dicsel thì hệ thống này cũng vấp phải một số nhược điểm sau:

M_

Cơ cấu điều tốc

Cảm biến vị trí

n

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

- Ưu điểm của hệ thống này, ngoài việc thiết kế thỏa mãn truyền động ổn định tần số thì thiết bị vật tư dễ mua và động cơ làm việc an toàn, chắc chắn

=> Với ba phương án ở trên thì phương án ba hợp lý nhất cho nên trong luận văn ta chọn phương án ba

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN

ĐC ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN

ĐỊNH TẦN SỐ

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐC ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH TẦN SỐ 2.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ ĐB_KTVC

Để biến đổi điện năng thành cơ năng thì động cơ điện đồng bộ là một trong những thiết bị điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ bap ha ngày nay được sử dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm W đến hang trăm MW

Nó chiếm vị trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động Ở giải công suất lớn và cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ưu thế Tuy vậy ở công suất nhỏ và vừa

nó phải cạnh tranh với truyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều Ngày nay truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng được chú ý nghiên cứu ứng dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ Đặc biệt các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng rộng rãi trong các truyền động secvô công suất nhỏ máy công cụ(thí dụ động cơ trục chính, truyền động vị trí,…) và trong kỹ thuật robot

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

cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động Động cơ đồng bộ được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cosφ = 1, không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện Hệ số công suất của lưới điện được nâng lên, giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây So với hệ truyền động động cơ không đông bộ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không gây tổn hao đồng ở rotor do đó hiệu suất cao Do tổn thất đồng và tổn thất sắt thấp tập trung ở stator nên việc làm mát cũng thuận tiện hơn Do hiệu suất cao nên cho phép giảm được kích thước, đặc tính của máy có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại nam châm và cách bố trí chúng trên rotor So với

động cơ một chiều, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần vành trƣợt và chổi than cho nên đơn giản dễ chế tạo, giá thành hạ làm việc tin cậy,

ít phải bảo dƣỡng Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu còn có khả năng làm việc với tốc độ rất thấp và rất cao là những vùng tốc độ mà truyền động động

- Mật độ từ thong khe hở không khí cao

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

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

- Hiệu suất cao và hệ số cosphi cao

- Cấu trúc vững chắc

Có thể thỏa mãn các yêu cầu này bằng sử dụng điều khỉển vector các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

* Nguyên lý làm việc:

ĐCĐBNCVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau (chế độ đồng bộ) thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực tù của stator và rotor và hình thành momen điện từ Động cơ khởi động dưới tác dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ, nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor được kéo vào đồng bộ

Động cơ đông bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ Chỉ

số năng lượng (cosφ, η) cao hơn, trọng lượng và kích thước của máy bé hơn khi có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn

2.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Máy điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có kết cấu phía stator giống ĐCKĐB: Đó là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cung cấp điện bap ha Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator se tạo ra dòng stator, gây nên điện áp cảm ứng phía rotor và xuất hiện dòng rotor Dòng phía stator có tác dụng tạo nên từ thong stator, rotor và đó chính là nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện Điều kiện để xảy ra cảm ứng

và tạo được moment là tồn tại một “sự trượt” nhất định giữa chuyển động quay của rotor và của vecto từ thông stator, đấy là nguyên tắc hoạt động của ĐCKĐB còn máy điện đồng bộ bap pha kích thích vĩnh cửu có một hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt Nghĩa là: từ thông luôn luôn tồn tại,

không còn nhu cầu trƣợt tốc độ để cảm ứng từ stator sang rotor nữa và máy điện hoạt động hoàn toàn đồng bộ

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

Cuộn dây pha W

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