Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển tốc độ turbine nước loại nhỏ nhằm ổn định tần số của dòng điện đầu ra

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE NƯỚC LOẠI NHỎ NHẰM ỔN ĐỊNH TẦN SỐ CỦA DÒNG ĐIỆN ĐẦU RA Người hướng dẫn : Học viên : PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Mai Nguyễn Mạnh Đức HÀ NỘI 5/2016 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý lựa chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Điểm đóng góp đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TỐC TURBINE NƯỚC 1.1 Ý nghĩa, vai trò việc điều chỉnh tần số máy phát điện[17] 1.1.1 Tính tất yếu việc điều chỉnh tần số 1.1.2 Bản chất ý nghĩa điều chỉnh tần số hệ thống điện 1.1.3 Tần số máy phát phương trình động học Turbine 1.1.4 Đặc tính điều chỉnh turbine 12 1.1.5 Quá trình thay đổi công suất đặt tổ máy nhà máy điện 14 1.2 Tổng quan chung kỹ thuật điều khiển dòng nước vào turbine 16 1.2.1 Kiểu van lưỡi gà 16 1.2.2 Kiểu thùng chụp 17 1.2.3 Kiểu cánh hướng nước 18 1.3 Điều khiển dòng chảy van cánh bướm 20 1.4 Nguyên lý điều tốc turbine nước 20 1.4.1 Nguyên lý điều khiển trực tiếp - luật điều khiển P(Proportional) 20 1.4.2 Nguyên lý điều khiển gián tiếp - luật điều khiển PI(Proportional Intergral) 22 1.5 Kết luận 27 CHƯƠNG CÁC PHẦN TỬ CƠ SỞ SỬ DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC 28 2.1 Đo tốc độ quay sử dụng Encoder 29 2.2 Lập trình điều khiển vi điều khiển 29 2.3 Van điểu khiển không trục 30 2.4 PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VAN KHÔNG TRỤC 32 2.4.1 Các phương án chế tạo cấu điều khiển van không trục 32 2.5 Cơ sở lý thuyết tổng hợp điều khiển 44 2.5.1 Nhận dạng đối tượng 44 2.5.2 Thuật toán điều khiển PID 48 2.5.3 Tính toán tham số điều chỉnh bền vững tối ưu[2][13] 49 2.5.4 Thực thi PID số[2] 51 2.6 Kết luận 55 CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE 56 3.1 Tổ chức thiết kế phần tử hệ thống thí nghiệm[14] 56 3.1.1 Cơ cấu phản hồi tốc độ Turbine 56 3.1.2 Thiết kế cấu điều khiển van không trục 57 3.1.3 Bộ điều khiển ATMEGA8 60 3.2 Phần mềm giám sát hệ thống 65 3.3 Quá trình thử nghiệm kết nghiên cứu thực nghiệm điều tốc Turbine 68 3.3.1 Mô tả mô hình thủy điện siêu nhỏ 68 3.3.2 Lắp đặt mô hình thí nghiệm 74 3.3.3 Quá trình thử nghiệm điều tốc sỏ van trượt bám - mô hình thủy điện thực nghiệm 76 3.4 Kết luận 93 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 Phụ lục 1: Code lập trình phần mềm nhập tham số điều khiển 99 Phụ lục 2: Code lập trình vẽ đồ giám sát hệ thống 107 Phụ lục 3: Code lập trình vi điều khiển 112 LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham khảo mà không ghi Tôi xin cam đoan không chép công trình thiết kế đồ án tốt nghiệp người khác Nếu sai, xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên thực Nguyễn Mạnh Đức DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đặc tính phụ tải tổng hợp theo tần số Hình 1.2 Ví dụ chênh áp cột nước 10 Hình 1.3 Đặc tính quan hệ tần số công suất turbine máy phát 12 Hình 1.4 Quá trình thay đổi công suất đặt máy phát 15 Hình 1.5 Kiểu lưỡi gà 16 Hình 1.6 Kiểu thùng chụp 17 Hình 1.7 Hệ thống cánh hướng nước 18 Hình 1.8 Hình vẽ chi tiết kiểu cánh hướng nước 19 Hình 1.9 Van bướm 20 Hình 1.10 Máy điều tốc tác động trực tiếp 22 Hình 1.11 Máy điều tốc tác động gián tiếp 23 Hình 2.1 Sơ đồ khối phần từ 28 Hình 2.2 Mặt cắt bổ dọc van không trục 30 Hình 2.3 Đường cong đặc tính động van điều khiển không trục 31 Hình 2.4 Bộ phận điều khiẻn van sử dụng kiểu cuộn dây nam châm điện 33 Hình 2.5 Lò xo có biên dạng thẳng biên dạng đặc biệt 34 Hình 2.6 Bộ phận điều khiển van kiểu dùng nam châm vĩnh cửu 34 Hình 2.7 Nối ty van với phần dịch chuyển qua cấu kiểu xoay 36 Hình 2.8 Nguyên lý cấp điện cho cuộn dây để điều khiển động bước 38 Hình 2.9.Ví dụ điều chế độ rộng xung(PWM) góc quay servo 39 Hình 2.10 Sử dụng động điện chiều với cấu xoay 39 Hình 2.11 Đặc tính tĩnh học van bệ 40 Hình 2.12 Cơ cấu kiểu xoay 40 Hình 2.13 Biểu diễn mối quan hệ x φ 40 Hình 2.14 Tổng hợp đặc tính tĩnh học van bệ theo góc quay φ 41 Hình 2.15 Sử dụng cam để tuyến tính đường đặc tính tĩnh van 42 Hình 2.16 Cơ cấu điều khiển van kiểu ròng rọc 43 Hình 2.17 Sơ đồ thí nghiệm nhận dạng đối tượng hệ thống hở 45 Hình 2.18 Đặc tính độ thực nghiệm 46 Hình 2.19 Sơ đồ điều khiển PID tổng hợp liên tục 49 Hình 2.20 Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu vào điều chỉnh PID số 51 Hình 2.21 Đồ thị tín hiệu điều chỉnh PID số 52 Hình 3.1 Dạng xung encoder Autonics E30S4 56 Hình 3.2 Thông số kĩ thuật opto TOSHIBA TLP250 57 Hình 3.3 Kích thước động servo Futaba MG995 58 Hình 3.4.Dạng tín hiệu điều khiển động servo 59 Hình 3.5 Hình ảnh ghép nối cấu chấp hành kiểu ròng rọc 59 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 60 Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán điều khiển 62 Hình 3.8 Sơ đồ ghép nối cấu điều khiển 64 Hình 3.9 Sơ đồ hoạt động điều khiển 65 Hình 3.10 Phần mềm Data Collect Windows 66 Hình 3.11 Đồ thị theo dõi hệ thống chế độ mô máy tính 67 Hình 3.12 Nguyên lý làm việc nhà máy thủy điện 68 Hình 3.13 Sơ đồ dòng chảy 69 Hình 3.14 Turbin Turgo 70 Hình 3.15 Bơm chìm trục đứng đa tầng cánh 71 Hình 3.16 Van trượt bám 72 Hình 3.17 Sơ đồ mạch điện tiêu thụ 73 Hình 3.18 Ảnh chụp hệ thống lắp đặt thực tế 74 Hình 3.19 Sơ đồ khối khởi động mô hình thủy điện 76 Hình 3.20 Sơ đồ khối tính toán điều khiển 78 Hình 3.21 Đồ thị đáp ứng độ trước sau xử lý 80 Hình 3.22 Đồ thị đáp ứng độ mô hình Turbine 81 Hình 3.23 Sơ đồ hệ thống điều khiển 83 Hình 3.24 Đồ thị đáp ứng đầu điều khiển 84 Hình 3.25 Sơ đồ bước thí nghiệm đáp ứng hệ thống 86 Hình 3.26 Phần mềm data collect máy tính cài đặt thông số điều khiển 87 Hình 3.27 Đồ thị đáp ứng tốc độ turbine thay đổi tải 88 Hình 3.28 Đồ thị đáp ứng tốc độ turbine thay đổi lượng nước vào 90 Hình 3.29 Đồ thị tốc độ turbine chạy ổn định 92 MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Với nhu cầu điện ngày tăng, số lượng nhà máy thủy điện nhỏ, đặc biệt công trình thủy điện gia đình nước ta tăng nhanh Tuy nhiên, công trình thủy điện qui mô hộ gia đình lắp đặt mạch khống chế điện áp mà không trang bị cấu ổn định số dòng điện phát ra, khả sử dụng hạn chế Đối với turbine thủy điện công suất lớn, việc ổn định điện áp việc ổn định tần số nguồn điện phát tất yếu việc điều tốc turbine đảm nhiệm Cấu tạo điều tốc turbine bao gồm: cấu điều khiển, cấu khuếch đại lực hệ thống cánh hướng (van cánh hướng) điều chỉnh nước Cơ cấu điều khiển trước có cấu tạo kiểu – thủy lực, thay cấu thủy lực điện tử số Nhưng điều tốc turbine tồn cấu khuếch đại dùng dầu áp lực cao để điều khiển hệ thống van cánh hướng Các van cánh hướng sử dụng có nhược điểm tiêu thụ lớn lượng phụ trợ cần trang bị kèm theo cấu khuếch đại lực phức tạp đắt tiền Do vậy, điều tốc nói lắp đặt cho loại turbine thủy điện công suất lớn tốn turbine loại nhỏ, đặc biệt bất khả thi turbine qui mô hộ gia đình Do cần nghiên cứu thiết kế điều tốc ứng dụng cho turbine loại nhỏ Mục tiêu đề tài Trước tiềm thủy điện quy mô nhỏ, hộ gia đình Việt Nam, tác giả với mong muốn mang ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống thực tế, đề tài đưa mục tiêu thiết kế điều tốc turbine loại nhỏ hộ gia đình dựa sở đề tài nghiên cứu khoa học đại, nhằm khắc phục hoàn thiện thiếu sót hệ thống thủy điện nhỏ thô sơ truyền thống Phương pháp nghiên cứu +Tìm hiểu, tổng hợp, biên tập tài liệu kĩ thuật phương pháp điều tốc turbine từ tác phẩm nước +Đánh giá loại van cấu điều khiển truyền thống có +Thiết kế điều tốc turbine thủy điện sở van điều khiển +Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng hoạt động điều tốc kiểu Đối tượng phạm vi nghiên cứu +Tập trung vào phương pháp điều tốc loại turbine siêu nhỏ công suất từ 200-500W +Kế thừa phát triển các cấu điều khiển van không trục Đặc biệt sử dụng cấu servo vào điểu chỉnh độ mở van +Xây dựng điều khiển PID vi xử lý, tương thích với van không trục +Thiết lập phần mềm giám sát khả hoạt động vận hành thiết kế Điểm đóng góp đề tài  Đề xuất cấu trúc điều khiển turbine dựa van không trục Ứng dụng cho điều tốc turbine không cần trang bị hệ thống trợ lực bên  Thiết kế cấu ghép nối hợp lý mạch điều khiển PID van điều khiển  Đề xuất dùng Encoder có sẵn thị trường làm cảm biến đo tốc độ quay turbine  Đề xuất phương pháp nhận dạng đối tượng theo đáp ứng độ với tính toán đơn giản, mô hình phù hợp thực tế  Xây dựng phần mềm giám sát điều khiển hệ thống turbine máy phát tổ máy phát điện cung cấp cho hộ tiêu thụ độc lập { pulse = pulse /10; number_sample=0; switch (mode) { case 0: Stop(); break; // case 1: // Run(); break; case 2: break; case 3: PID_mode3(); break; default: break; } PWM(u_servo); Data_send(pulse,u_servo); pulse =0; } } void Send_string(char flash *Cmd) 123 { unsigned char i, len ; len = strlenf(Cmd); putchar(ID); putchar(0); // dir putchar(2); // function putchar(len); // len for(i=0;i