ổn định tần số trong hệ thống điện

Tốc độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều.. Vì vậy trong chế độ làm việc bình thường, công suất PF do máy phát c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: 02

1.Tính cần thiết của ổn định tần số 03

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 03

3 Phạm vi nghiên cứu 03

4 Bố cục 03

CHƯƠNG 2: 04

1 Các phương pháp điều khiển 04

2 Phân tích ưu, nhược điểm phần chọn lựa 04

3 Bình luận phương pháp 04

CHƯƠNG 3: 04

1 Mô hình bộ thí nghiệm 06

a Phương pháp điều khiển 06

b Giới thiệu các phần tử trong bộ thí nghiệm 08

2 Thuật toán điều khiển 08

CHƯƠNG 4: 16

1 Thiết kế mô hình (bản vẽ, thi công, ảnh…) 20

2 Thí nghiệm (xây dựng mô hình thí nghiệm) 21

3 So sánh các phương pháp khác 21

CHƯƠNG 5: Kết luận 22

CHƯƠNG 1

1.1 Tính cần thiết của ổn định tần số

Tần số là một trong những tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng điện năng Tốc độ quay và năng suất làm việc của các động cơ đồng bộ và không đồng bộ phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều Khi tần số giảm thì năng suất của chúng cũng bị giảm thấp Tần số tăng cao dẫn đến sự tiêu hao năng lượng quá mức Do vậy và do một số nguyên nhân khác, tần số luôn được giữ ở mức ổn định Đối với hệ thống điện Việt Nam, trị số định mức của tần số được quy định là 50Hz Độ lệch cho phép khỏi trị số định mức là 0.1Hz

Việc sản xuất và tiêu thụ công suất tác dụng xảy ra đồng thời Vì vậy trong chế độ làm việc bình thường, công suất PF do máy phát của các nhà máy điện phát ra phải bằng tổng công suất do các phụ tải tiêu thụ

Ptt và công suất tổn thất Pth trên đường dây truyền tải và các phần tử khác của mạng điện, nghĩa là tuân theo điều kiện cân bằng công suất tác dụng:

PF=P tt +P th =PPT

Trong đó, PPT là phụ tải tổng của các máy phát

Khi có sự cân bằng công suất thì tần số được giữ không đổi Nhưng vào mỗi thời điểm tùy thuộc số lượng hộ tiêu thụ được nối vào tải của chúng, phụ tải của hệ thống điện liên tục thay đổi làm phá hủy sự cân bằng công suất và làm tần số luôn biến động Để duy trì tần số định mức trong hệ thống điện yêu cầu phải thay đổi công suất tác dụng một cách tương ứng và kịp thời

Như vậy vấn đề điều chỉnh tần số và phân phối công suất tác dụng giữa các tổ máy phát và giữa các nhà máy điện Tần số được điều chỉnh bằng cách thay đổi lượng hơi hoặc nước đưa vào tua-bin Khi thay đổi lượng hơi hoặc nước vào tua-bin, công suất của máy phát cũng thay đổi

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:

a Mục tiêu:

- Tìm ra cách ổn định tần số trong hệ thống điện Việt Nam

- Giúp hiểu rõ hơn về các đại lượng liên quan đến việc phát điện

- Đưa các thí nghiệm và kết quả thu được áp dụng vào thực tế Trong pham vi nghiên cứu này chúng tôi chỉ hy vọng áp dụng

nó vào việc giảng dạy cho sv chuyên ngành điện công nghiệp

CHƯƠNG 2

2.1 Các phương pháp điều khiển:

Có 3 phương pháp điều khiển: điều chỉnh tốc độ quay tua-bin sơ cấp, điều chỉnh và phân phối công suất tác dụng giữa các máy phát làm việc song song, tự động giảm tải theo tần số Trong đề tài này chúng tôi lựa chọn phương án thứ nhất để ổn định tần số

2.2 Phân tích ưu, nhược điểm của phương án đã

chọn:

2.2.1 Ưu điểm:

 Đảm bảo cung cấp đủ công suất cho tất cả các phụ tải của hệ thống và có dự phòng, đảm bảo tần số lưới dao động 49.5-50.5 Hz

 Hiệu suất lớn ngoài ra phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi

và giúp người thực hiện dễ sử dụng

 Dễ dung để điều khiển bằng biến tần

2.2.2 Nhược điểm:

2.2.2.1 Thay đổi tần số sẽ làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc của động

cơ

2.2.2.2 Khi giảm f1 < fđm mà các thành phần khác giữ nguyên thì mạch từ

động cơ sẽ bão hòa, điện kháng mạch từ giảm xuống và dòng từ hóa tăng lên làm cho động cơ quá tải về từ Còn ngược lại khi f1 >

fđm thì động cơ quá tải về dòng

2.3 Phương pháp ổn định tần số của động cơ:

Vì vậy khi thay đổi tần số f1 để điều chỉnh tốc độ người ta thường kết hợp thay đổi điện áp stator u1 và người ta thường dùng bộ biến đổi tần

số (BT) để điều khiển tốc độ động cơ như hình 2.1

Hình 2.1: cách lắp đặt biến tần

 Cách lắp đặt biến tần:

Hình 2.2: sơ đố nối dây của biến tần loại 0.4 – 7.5kw

Hình 2.3: sơ đố nối dây của biến tần loại 11 – 22kw

Display

Keys Điều khiển hoạt động

STOP/RESET STOP: dừng điều khiển trong suốt quá trình hoạt động

RESET: điều khiển RESET khi có lỗi xảy ra

sang trái để thay đổi giá trị thông số

sang phải để thay đổi giá trị thông số

CHƯƠNG 3

Mô hình bộ thí nghiệm:

Phương pháp điều khiển:

Quy luật điều khiển điện áp stator khi thay đổi tần số:

Đối với hệ dùng biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về moment là không đổi trong cả phạm vi điều chỉnh tốc

độ

Các đặc tính điều chỉnh tần số và điện áp stator:

Các đặc tính cơ khi thay đổi tần số và điện áp stator với các phụ tải khác nhau

Hình 3.1: xác định khả năng quá tải về môment

Các phần tử trong bộ thí nghiệm:

 bộ biến tần để ổn định tốc độ động cơ

 động cơ 3 pha không đồng bộ rotor lồng sóc

 máy phát điện 3 pha không đồng bộ Tổng quan về động cơ không đồng bộ:

Giới thiệu:

Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) được sử dụng rất phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy công nghiệp Công suất của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500 kW (tương đương 670 hp) và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay đổi dễ dàng các nhà cung cấp

 Phần tĩnh: Stato có cấu tạo gồm vỏ mây, lỏi sắt vă dđy quấn

+ Vỏ mây:

Vỏ mây có tâc dụng cố định lõi sắt vă dđy quấn, không dùng để lăm mạch dẫn từ Thường vỏ mây được lăm bằng gang Đối với mây có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thĩp tấm hăn lại lăm thănh vỏ mây Tuỳ theo câch lăm nguội mây mă dạng vỏ cũng khâc nhau

+ lõi sắt:

Lõi sắt lă phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt lă từ trường quay nín

để giảm tổn hao: lõi sắt được lăm bằng những lâ thĩp kỹ thuật điện ĩp lại

Tổng quan về mây phât điện không đồng bộ:

Giới thiệu:

Mây phât điện lă thiết bị biến đổi cơ năng thănh điện năng thông

thường sử dụng nguyín lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp

có thể lă câc động cơ tua bin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc câc nguồn cơ năng khâc

Mây phât điện giữ một vai trò then chốt trong câc thiết bị cung cấp điện Nó thực hiện ba chức năng: phât điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện âp

Cấu tạo:

Stator (phần tĩnh)

Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Rô to mây phât

Hệ thống thiết bị tạo ra dòng điện một chiều năy gọi chung lă hệ thống kích thích mây phât Dòng điện kích thích mây phât, chủ yếu lă để tạo từ trường cho Rotor nhưng những tâc động của nó còn có thể dùng để điều chỉnh điện âp mây phât Ngoăi ra, dòng điện năy còn điều chỉnh công suất

vô công của mây phât khi mây phât nối văo lưới

Để có thể thay đổi trị số của dòng điện kích thích nhằm đâp ứng được câc yíu cầu trín, cần phải có một bộ phận điều khiển Hệ thống mạch điện để điểu khiển dòng điện kích thích gọi lă hệ thống điều khiển điện âp, hay còn gọi tắt lă bộ điều âp

điều kiện tiờu chuẩn Vỡ thế cụng suất khả dụng thường thấp hơn cụng suất định mức

Cỏc điều kiện ảnh hưởng đến cụng suất khả dụng của mỏy là:

 Nhiệt độ mụi trường

 Sự thay đổi chế độ làm mỏt của mỏy phỏt

 Sự lóo húa của chất cỏch điện, làm cho nhiệt độ chịu đựng của mỏy phải giảm xuống

 Những giới hạn của động cơ sơ cấp kộo nú

 Những giới hạn của cỏc thiết bị lắp phớa sau nú: mỏy cắt, mỏy biến ỏp, đường dõy

Bộ biến tần:

Bộ biến đổi tần số hay còn gọi là các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng

điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà

có thể thay đổi được

Đối với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoaychiều thì ngoài việc thay đổi tần số của chúng còn có

thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lưới cấp vào bộ biến tần

Biến tần thay đổi tần số điện ỏp cấp nguồn cho động cơ nhằm điều chỉnh tốc độ phự hợp với cỏc yờu cầu của hệ truyền động Giỏ trị "tốc

độ tham chiếu" lấy từ bộ điều khiển quỏ trỡnh (lưu lượng hay ỏp suất) Đõy là bộ điều khiển loại PI và cú thể tỏch rời hay tớch hợp sẵn trong biến tần Cỏc tốc độ tham chiếu và chức năng "tăng tốc/ giảm tốc" đụi khi cũn được sử dụng để vận hành theo cỏc tớn hiệu điều khiển logic Ngoài cỏc ưu điểm như khởi động mềm, biến tần cũn cú những tớnh năng ưu việt khỏc:

 Điều chỉnh lưu lượng và ỏp suất ở mức yờu cầu

 Hiệu suất cao hơn trong chế độ làm việc liờn tục

 Tự động húa hoàn toàn

 Tiết kiệm điện năng đỏng kế

Biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ có thể thay thế giải pháp truyền thống sử dụng van điều khiển và cho phép tiết kiệm điện năng nhờ khả năng thay đổi tốc độ Việc loại bỏ van tiết lưu sẽ đơn giản hóa đáng kể hệ thống đường ống và giảm thiểu việc tổn hao áp suất

Nhỏ gọn và kinh tế, dòng biến tần LS - iG5A manh mẽ và tối ưu hiệu suất

Nó đáp ứng được các nhu cầu của khách hàng trong các ứng dụng: Giao tiếp, PID control, space vector, PWM,

IG5 có công suất: 0.37~7.5KW/200~230V 3 pha 0.75~7.5KW/380~460V 3 pha Nhiều chức năng cho các đầu vào số Đầu vào tương tự: 0~10VDC, 4~20mA Đầu ra rơle cảnh báo Đầu ra tương tự: 0~10VDC Có sẵn điều khiển PID Truyền thông: RS-48

Đặc tính kỹ thuật:

• iG5 là dòng biến tần nhỏ gọn, đa năng và thân thiện với người sử dụng

• Công nghệ điều khiển vector không gian PWM

• Loại 1 pha 200V có công suất: 0,75 ~ 1,5kW

• Loại 3 pha 200/400V có công suất 0,75 ~ 3,7kW

• Phù hợp với các chuẩn: CE, UL, cUL

• Điều khiển vector không gian băng thuật toán algorithm điều chỉnh thăng giáng mômen quay và low THD

• Tích hợp giao diện truyền thông RS485/MODBUS-RTU

• 3 đầu vào đa năng, 1 đầu ra đa năng

• Ổn định dòng điện nhả tự do

• Có thể chon tăng cường mômen bằng tay/tự động

• Điều khiển remote với cable nối riêng và lắp cố định

• Tích hợp hãm cắt

• Điều khiển PID

• Tự động restart sau khi mất điện tức thời

• Bảo vệ nối sai dây nguồn/tải

• Upload và download thông số từ bộ phím

Sơ đồ kết nối phần cứng:

Một số thông số cài đặt cơ bản cho biến tần:

0.00: nhập tần số mong muốn

ACC: thời gian tăng tốc

dEC: thời gian giảm tốc

drv: chọn chiều quay cho động cơ

Frq: chọn phương pháp thiết lập tần số đặt

St1-St3: chế độ chạy nhiều cấp tần số

F30: chọn phương pháp điều khiển U/F(tuyến tính,theo đường cong hay chế

độ U/F đa điểm)

một số thông số cài đặt cho biến tần khi sử dụng chức năng PID:

H49: chọn chế độ PID (1-cho phép;0-không cho phép)

H50: chọn tín hiệu hồi tiếp(0-dòng 0~20mA;1-áp 0~10V)

H57: nhập giá trị tham chiếu

H58: chọn đơn vị tính cho PID theo % hay theo Hz

H61: thời gian chờ ngủ đông

H62: tần số ngủ đông

H63: mức khởi động lại(%)

Một số thông số cài đặt cho biến tần khi sử dụng chức năng

AutoTurning:

H41: chọn chế độ auto tuning(1-cho phép)

H42: nhập điện trở Stator của động cơ (0~28Ω)

H43: nhập điện dung của động cơ (0~300.00mH)

Khi đó biến tần sẽ tự động tính toán các thông số tối ưu cho bộ điều khiển

PID

CHƯƠNG 4

4.1 Thiết kế mô hình:

Hình 4.1: Động cơ 3 pha

Hình 4.2: mô hình khi rắp 2 máy vào

Hình 4.3: Bộ biến tần

Hình 4.4: mô hình hoàn chỉnh

4.2 Thí nghiệm:

Cho động cơ chạy ở tần số f = 50HZ, sau đó ta tăng tốc độ động cơ lên nhờ bộ biến tần mà tần số không đổi chỉ thay đổi điện áp ra Tương tự khi ta cho động cơ chạy chậm lại Chúng ta có thể thay đổi tốc độ động

cơ mà vẫn có thể giữ tần số không đổiac

Hình 4.5: mô phỏng trên máy tính

4.3 Ƣu, nhƣợc điểm so với các cách điều khiển khác:

CHƯƠNG 5

5.1 Tĩm tắt cơng trình:

Sau thời gian làm việc cật lực cùng với sự giúp đỡ của thầy Trương Việt Anh người thực hiện đã hồn thành những kết quả sau:

 Tìm hiểu lý thuyết về động cơ ba pha

 Tìm hiểu lý thuyết về biến tần

 Khảo sát cách ổn định tần số của động cơ điện

5.2 TỰ ĐÁNH GIÁ VỀ MỨC ĐỘ ĐỐNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ

TÀI VỀ HAI MẶT: LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN:

Về lý luận: xây dựng cơ sở lý thuyết về môn học cung cấp điện kết hợp với mơn

điều khiển tự động Môn học mà trong chương trình đào tạo của ngành Điện Khí Hoá – Cung Cấp Điện đã đưa vào giảng dạy, đềâ tài có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho những sinh viên quan tâm đến môn học

Về mặt thực tiễn: giới thiệu về động cơ khơng đồng bộ 3 pha, giới thiệu về biến

tần và cách sử dụng nĩ

5.3 Hướng phát triển của đề tài:

Do thời gian nghiên cứu có hạn, tài liệu tham khảo không nhiều nên tác giả chỉ giải quyết được những vấn đề cơ bản sau:

 Tìm hiểu lý thuyết về động cơ ba pha

 Tìm hiểu lý thuyết về biến tần

 Khảo sát cách ổn định tần số của động cơ điện

Nếu thời gian nghiên cứu cho phép thoả mãn, kinh phí nghiên cứu cho phép thoả mãn và nhân sự cộng tác nghiên cứu cho phép thoả mãn thì đề tài này sẽ phát triễn theo các hướng sau: đi sâu vào tìm hiểu lý thuyết về máy điện,

về điều khiển tự động Cách điều chỉnh tốc độ động cơ theo những hướng khác như điều chỉnh cơng suất phản kháng hay cơng suất tác dụng