Mô hình mô phỏng hoạt động máy phát điện tàu thủy ở chế độ công tác độc lập

Bài viết giới thiệu mô hình toán học của các thiết bị điện trong hệ thống trạm phát điện trên tàu thủy như: Máy phát đồng bộ, động cơ, Diesel, bộ điều tốc của diesel, bộ tự động điều chỉnh điện áp, các dạng tải, bộ khởi động v.v..

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG MÁY PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY Ở CHẾ ĐỘ CÔNG TÁC ĐỘC LẬP MODELING AND SIMULATION OF MARINE GENERATOR SET AT SINGLE OPERATION MODE ThS ĐỖ KHẮC TIỆP, TS VƯƠNG ĐỨC PHÚC Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài báo giới thiệu mơ hình tốn học thiết bị điện hệ thống trạm phát điện tàu thủy như: Máy phát đồng bộ, động cơ, Diesel, điều tốc diesel, tự động điều chỉnh điện áp, dạng tải, khởi động v.v Các kết mô liên quan đến đặc tính động hệ thống đưa rõ ràng sử dụng SimPowerSystems Toolbox Matlab Kết có giúp cho nhà thiết kế hệ thống, người sử dụng thay đổi lựa chọn tham số tối ưu góp phần nâng cao hiệu suất lượng cho hệ thống trạm phát tàu thủy Abstract This paper introduced mathematical model of electrical devices used on ship as: Generator, Motor, Diesel, Governor, Automatic voltage unit, load types and starter etc By using SimPowerSystems Toolbox of Matlab software as a tool for simulating systems from which exact results of dynamic curves when system is working are given These results help system designer, user to change or choose optimized parameters and then effective power of this system on ship will be taken Key words: Governor, Automatic voltage, AC Generator, Asynchronous Motor Giới thiệu Trạm phát điện tàu thủy hệ thống có cấu trúc hoạt động phức tạp, hoạt động trạm phát điện liên quan trực tiếp đến an toàn hàng hải Để đảm bảo trạm phát làm việc ổn định hệ thống điều khiển phải thực trì tần số điện áp mạng điện ổn định chế độ ổn định chế độ độ [1] Tất tàu biển đại, dù phục vụ mục đích dân hay quân sự, sở hữu đặc điểm chung yêu cầu công suất trạm phát điện phải lớn tàu truyền thống, sử dụng lượng điện cho phụ tải lớn như: chân vịt mũi, thiết bị điện boong, máy phụ buồng máy…, tàu đòi hỏi trạm phát điện phải có công suất đủ lớn Khi nâng cao công suất trạm phát điện, phức tạp hệ thống tăng lên, đáp ứng yêu cầu cao cho hệ thống điều khiển quản lý công suất nguồn cần thiết Tuy nhiên, hệ thống điều khiển tốt số trường hợp đặc biệt, chưa thể đáp ứng yêu cầu hệ thống Do tính chất phức tạp trạm phát điện q trình cơng tác nên đòi hỏi hệ thống cần trang bị thêm thiết bị mà phát thay đổi thông số lưới điện để cung cấp thông tin kịp thời cho hệ thống điều khiển Xuất phát từ đặc điểm trên, việc thành lập mô hình mô hoạt động máy phát điện tàu thủy chế độ công tác độc lập đưa nhằm thực giải vấn đề: xây dựng mơ hình mơ máy phát điện đồng bộ, mơ hình mơ điều tốc, tự động điều chỉnh điện áp thực công cụ Simpower system Matlab Kết mô với dạng tải phổ biến tàu thủy như: tải trở, tải động không đồng thu thập, phân tích nhằm cung cấp thêm thơng tin thông số lưới điện, đáp ứng hệ thống với thay đổi tải, từ tạo điều kiện cho nhà thiết kế, điều khiển có thêm thơng tin hoạt động trạm phát điện để xây dựng lên hệ thống điều khiển làm việc tin cậy, phản ứng nhanh nhằm đáp ứng yêu cầu vấn đề ổn định điện áp tần số lưới điện tàu thủy Việc xây dự ng thành công mô hình và xác đinh ̣ thời gian mô phỏng có ý nghiã thự c tiễn thiế t kế và xây dự ng hệ thố ng mới, tính toán các tham số cho trạm phát điện, giảm thời gian, Mơ hình trạm phát điện tàu thủy Trạm phát điện tàu thủy điển hình bao gồm số tổ hợp máy phát điện đồng - động diezel hệ thống kích từ, bảng điện chính, máy phát cố, bảng điện cố, bảng điều khiển tải loại tải Trong hệ tương đối, tần số stator máy phát đồng tương đương với giá trị bản, giá trị điện kháng cuộn dây với giá trị điện cảm, điện kháng độ, điện kháng siêu độ với giá trị điện cảm tương ứng Khi đó, thông số máy phát điện đồng thể giá trị điện kháng thay độ tự cảm Tiến Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 22 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 hành thí nghiệm đáp ứng tần số, khơng tải, ngắn mạch để từ xác định giá trị cuộn cảm số thời gian cho máy đồng 2.1 Máy phát điện đồng Máy điện đồng pha ứng dụng rộng rãi trạm phát xoay chiều [3], 2.2 Động Diesel với điều tốc Thông thường, động diesel tốc độ quay dễ bị ảnh hưởng thay đổi mô-men, cụ thể tải giảm nhỏ tốc độ quay Diezel thay đổi, tốc độ Diezel thay đổi dẫn tới tần số máy phát thay đổi Vì tốc độ động diesel cần điều chỉnh giữ ổn định cách điều chỉnh lượng cung cấp nhiên liệu theo nhu cầu tải Mơ hình tốn học cho động diesel với điều tốc khí [2] thể hình Trong mơ hình này, điều khiển mô hệ thống bậc hai thiết bị truyền động mô hệ thống bậc ba với khâu tích phân Động diesel mô khâu trễ túy Hình Mơ hình động Diezel với điều tốc khí 2.3 Hệ thống kích từ Chức hệ thống kích từ để điều chỉnh điện áp phần ứng máy phát điều chỉnh cơng suất phản kháng q trình cơng tác song song máy phát Vì phản ứng phần ứng, điện áp phần ứng dao động với thay đổi tải có tính cảm kháng dung kháng [3] Do đó, tự động điều chỉnh điện áp (AVR) cần thiết để điều chỉnh điện áp kích từ để giữ cho điện áp đầu máy phát không đổi Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp hình ~ Vt ~ ~ Ve =|Kp.Vt + j.Kt.It | ~ It Ifd In= Ke Ifd Ve In Vref Vq + Vf/K Vd Mux Fex= f(In) hypot Vstab + 1+s.Tr + 1+sTc 1+s.Tb Efd Ef Vtf Ke+s.Tb+S(Vf) Vf s.Kf 1+s.Tf Hình Sơ đồ khối tự động điều chỉnh điện áp Hình Mơ hình điều chỉnh điện áp xây dựng Simulink Từ sơ đồ khối tự động điều chỉnh điện áp ta xây dựng mơ hình tốn tự động điều chỉnh điện áp Simulink hình 3 Mơ MFDB làm việc độc lập 3.1 Xây dựng mô hình Các mơ thực mơi trường Simulink Matlab cách sử dụng hộp công cụ SimPowerSystems [5], có thư viện chứa mơ hình thiết bị điện Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 23 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 thông thường như: Các loại máy điện, nguồn điện, máy biến áp, đường dây thiết bị điện tử… Tiến hành mô hệ thống với máy phát điện đồng với thông số: P = 100kW, Un = 400V, In = 181A, r = 0.032, Xd = Xd’’= 0.17(Ở hệ tương đối), Tf = 1.64(s), Xq = 0.83 (Ở hệ tương đối), Xq’’ = 0.19, XS = 0, Xd’ = 0.25, Td’’ = 0.018 (s) Các mơ hình xây dựng gồm có: Hình thể mơ hình mơ q trình khởi động MFDB với tải động khơng đồng bộ, Hình 5: Mơ hình điều tốc điều chỉnh điện áp Hình Mơ hình tổng thể MFDB làm việc với tải động không đồng Với thông số mô (phần 3.1), tiến hành chạy thực nghiệm ta nhận kết hình 6, 7, Với đại lượng đưa viết hệ tương đối Hình Mơ hình điều tốc điều chỉnh điện áp xây dựng SimPowerSystems/ Simulink Hình Đặc tính MFDB làm việc khơng tải Hình thể kết máy phát hoạt động không tải, “P” cơng suất tác dụng cung cấp động Diezel; “Vf” điện áp kích từ hệ thống kích từ, “Vt” điện áp phát máy phát, “Speed” tốc độ quay máy Khi không tải công suất Diesel nhỏ, tốc độ Diesel ổn định sau thời gian khởi động khoảng 1.5s Sau khoảng thời gian 3s điện áp máy phát ổn định Khi máy phát nhận tải (Hình 7, Hình 8) đáp ứng hệ thống phụ thuộc vào tính chất mức độ tải Trong trình nhận tải làm thay đổi công suất trục động Diesel, tốc độ, điện áp phần ứng điện áp đặt lên cuộn kích từ Từ đặc tính hình hình ta thấy máy phát bắt đầu nhận tải cơng suất ‘P’ trục động Diezel tăng lên, máy phát nhận tải điện áp máy phát giảm xuống lúc tự động điều chỉnh điện áp điều chỉnh tăng dòng kích từ vào máy phát để kéo điện áp lên giá trị định mức Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 24 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Cũng từ đặc tính thu (hình hình 8) ta thấy điện áp máy phát nhận tải trở ổn định sau khoảng thời gian 0.5s, trường hợp tải máy phát động không đồng ta thấy điện áp máy phát ổn định sau khoảng thời gian 5s (thời gian phụ thuộc vào cơng suất thời gian khởi động động cơ) Với mơ hình thay đổi loại động cơ, tải động cơ, tính chất tải máy phát ta nhận kết với khoảng thời gian khác Từ thông số tham số thời gian đưa giúp cho trình thiết kế hệ thống đơn giản nhiều Hình Đặc tính MFDB làm việc với tải điện trở Hình Đặc tính MFDB làm việc với tải động không đồng Kết luận Bài viết tiến hành xây dựng mơ hình hóa mơ cho hệ thống trạm phát điện tàu thủy Các mơ hình bao gồm: Mơ hình phát điện đồng bộ, động diesel, điều tốc, hệ thống kích từ tải, xây dựng SimPowerSystems Toolbox Matlab Kết có giúp cho nhà thiết kế hệ thống, người sử dụng thay đổi lựa chọn tham số tối ưu góp phần nâng cao hiệu suất lượng cho hệ thống trạm phát tàu thủy, để đảm bảo hiệu suất lý tưởng Từ kết mơ giúp cho nhà thiết kế thiết kế hệ thống điều khiển thông minh, trường hợp thông số lưới điện thay đổi q trình thay đổi tải, hệ thống phát thay đổi gửi số thông tin tới điều khiển để thay đổi chương trình cho phù hợp với chiến lược điều khiển để giữ hiệu suất hệ thống điện chế độ ổn định trình độ tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Da Rin, A., Quaia, S., Sulligoi, G., “Innovative concepts for power station design in all electric ships”, Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, 2008 SPEEDAM 2008 [2] Yeager, K.E., and J.R.Willis, "Modeling of Emergency Diesel Generators in a Power Plant" , IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 8, No 3, September, 1993 [3] Bùi Thanh Sơn, “Trạm phát điện tàu thủy”, Nhà Xuất Giao thông vận tải, 2000 [4] PGS,TS Trần Anh Dũng, Đào Minh Quân, “Mơ hình hố thiết bị điện”, Nhà Xuất Hàng hải, 2015 [5] GS,TSKH Nguyễn Phùng Quang, “Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2006 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 25 ... tải máy phát động không đồng ta thấy điện áp máy phát ổn định sau khoảng thời gian 5s (thời gian phụ thuộc vào cơng suất thời gian khởi động động cơ) Với mơ hình thay đổi loại động cơ, tải động. .. từ, “Vt” điện áp phát máy phát, “Speed” tốc độ quay máy Khi không tải công suất Diesel nhỏ, tốc độ Diesel ổn định sau thời gian khởi động khoảng 1.5s Sau khoảng thời gian 3s điện áp máy phát ổn... thấy máy phát bắt đầu nhận tải cơng suất ‘P’ trục động Diezel tăng lên, máy phát nhận tải điện áp máy phát giảm xuống lúc tự động điều chỉnh điện áp điều chỉnh tăng dòng kích từ vào máy phát