CHƯƠNG 2 mô tả toán học các phần tử

CHƢƠNG Mơ tả tốn học phần tử 2.1 Khái niệm chung Trong thực tế có nhiều phần tử điện khác có chất vật lý khác Để khảo sát ta phải có mơ tả tốn học chúng 2.2 Phần tử điện trở - Điện cảm –Điện dung: Xét mạch điện R-L-C đơn giản có sơ đồ nguyên lý sau: R i L u(t) = u1 C y(t) = u2 Hình 2.1: Sơ đồ mạch điện R-L- C Từ sơ đồ ngun lý ta viết phương trình vi phân mơ tả phần tử: u(t)  u1  Ri  L di  idt dt C  y(t)  u  idt C Chuyển sang toán tử s ta được: I(s) RCs  LCs2  U  s   U1 (s)  RI(s)  LsI(s)   I(s) Cs Cs Y  s   U2 (s)  I(s) Cs (với điều kiện ban đầu ) Như ta xác định quan hệ lượng lượng vào: Y(s) U (s)   U(s) U1 (s) LCs  CRs  2.3 Thiết bị đo lường chuyển đổi tín hiệu 2.3.1.Thiết bị đo điện áp: a Đo điện áp chiều: Để đo đại lượng điện áp chiều ta sử dụng biến trở trượt Chúng có hai dạng: dạng trượt dạng quay i + + i  R1 + u(t)=uV R2  u(t)=uv + y(t) = ur _ y(t)=ur _ _ b) a) Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo áp chiều Tìm hàm truyền cho sơ đồ trên: _ Tín hiệu vào : uv(t) = i(t)(R1 + R2) Tín hiệu : y(t) = ur (t) = i(t)R2 Chuyển tín hiệu tín hiệu sang tốn tử Laplace ta tìm hàm truyền : W(s)  R2 Y(s)  K U v (s) R1  R b Đo điện áp xoay chiều: Để đo điện áp xoay chiều nguyên tắc dùng biến trở trượt gây tổn thất lượng điện áp xoay chiều đối xứng thường dùng biến áp đo lường KBA uV(t)~ ur(t)~ Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp đo lường Hàm truyền đạt phần tử sau : U U K BA  v  W(s)  r  Ur U v K BA 1.3.2.Thiết bị đo dòng điện a Đo dòng điện chiều: Để đo dòng điện chiều biến thành điện áp ta sử dụng điện trở sun Sơ đồ hình 2.4 Tín hiệu đầu vào dòng điện chiều RS i(t) + y(t)=ur(t) _ Hình 2.4: Sơ đồ mạch đo áp chiều Tín hiệu đầu điện áp ura = RsIv W(s)  K Ur  s  R s Iv   R s  K khâu khuếch đại (khâu tỉ lệ) Iv s  Iv U dm  V    Idm  A  IV IR b Đo dòng điện xoay chiều : Để đo dòng điện xoay chiều nguyên tắc sử dụng điện trở sun Tuy nhiên gây tổn thất RN Ur lượng lớn Vì ta sử dụng máy biến dòng I I Với máy biến dòng : K I  sc  V Ta có I tc IR U r  IR R N  Hình 2.5: Sơ đồ mạch đo áp chiều IV RN KI W(s)  U r R N IR R N    K khâu tỉ lệ IV IV KI 2.3.3.Thiết bị đo tốc độ: a Máy phát tốc: Là loại máy điện công suất nhỏ làm việc chế độ máy phát làm nhiệm vụ biến đổi tốc độ quay trục thành tín hiệu u(t) = n điện áp Theo cấu tạo máy phát tốc chia thành máy phát tốc đồng bộ, không đồng chiều Sau ta xác định hàm truyền máy phát tốc chiều kích từ dùng nam châm FT Hình 2.6: Máy phát tốc vĩnh cửu Ta có: y  u r  K e n  t  với Ke hệ số sức điện động máy phát tốc W(s) =  von phut  K n(s) Y(s) = e = Ke = γ   U(s) n(s)  vong  y(t) = ur b Cầu đo tốc độ: Chỉ dùng để đo tốc độ động chiều, có tín hiệu vào tốc độ quay n tín hiệu điện áp đường chéo cầu Sơ đồ nguyên lý cầu đo tốc độ hình vẽ : + Trong : I2 - R1, R2 điện trở đưa từ bên vào Thơng thường chúng có giá trị lớn để dịng điện qua chúng có giá trị nhỏ nhằm giảm tổn thất Iư + R1 n § _ Uư _ + Rư uR - Ru điện trở mạch phần ứng - R4 điện trở cuộn bù cuộn phụ có giá trị nhỏ R2 R4 _ Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cầu đo tốc độ Viết phương trình biến đổi ta tìm được: Ur  UR2  UR4  i2R  iu R   Ur   Uu R  iu R R1  R Eu  iu R u  iu R R  iu R R1  R E u R  i u R u R  i u R R  i u R R1  i u R R R1  R Do cầu đo tốc độ nên n =0 => Ur= tức cầu cân Muốn thì: R1 R u   R 1R  R u R R2 R4 Do đó: Ur  K nR Eu R mà E u  K e n  U r  e R1  R R1  R  W s  Ur s  KeR   n  s  R1  R 2.3.4.Thiết bị đo góc quay : Để đo góc ta sử dụng biến trở quay, biến áp quay, xenxin a Biến trở quay: Biến trở quay đảm bảo độ nhậy cao để đảm bảo độ xác biến trở phải chế tạo với điện trở tiếp xúc ổn định kết cấu khí chắn + i Hàm truyền phần tử sau: Ura = Uđv v = U  Uđv a v  W (s)  U   U0  U0     U0 K + - Với  góc ơm biến trở tính; _ Hình 2.8: Biến trở quay   2n   360n , n số vòng quay biến trở * Biến áp quay: Biến áp quay chế tạo nguyên lý biến áp thông thường trục cuộn dây sơ cấp cố định trục cuộn dây thứ cấp thay đổi muốn cuộn sơ cấp stato, cuộn thứ cấp roto Khi thay đổi góc  hệ số hỗ cảm cuộn sơ cấp thứ cấp thay đổi thay đổi điện áp theo quy luật hàm cosin: ur = Umcos Khi sử dụng thực tế thường dùng biến áp quay nối theo sơ đồ vi sai hình vẽ 2.9  u r u   u 1   2 ur Hình 2.9: Sơ đồ biến áp quay Hình 2.10: Biến trở quay nối theo sơ đồ vi sai Ta có điện áp đầu xác định sau: ur = E1 - E2 = Umcos1 - Umcos2  = 2 - 1  2 =  + 1 cos2 = cos( + 1) = coscos1 - sinsin1 Giả thiết trình làm việc sai lệch 1, 2 nhỏ   nhỏ nên cos = 1và sin    cos2  cos1 - sin1  ur = Umcos1 - Umcos1 + Umsin1= Umsin1 Để đơn giản ta xoay roo biến áp góc 90o giữ cố định 1 = 90o ta tìm Ura = Um  Nên: W(s)  Ur  Um  K  2.4 Thiết bị khuếch đại 2.4.1.Máy phát điện chiều kích từ độc lập: + + iKT RMF LMF EMF w LKT x = uKT MF y = uR RKT - n = const - Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý máy phát chiều kích từ độc lập Các phương trình thể quan hệ máy phát: x(t)  u KT (t)  i KT R KT  L KT  L  di KT  U KT  s   I KT  s  1  KT   R KT dt  R KT  y(t)  u r (t)  e  Ce n u r (t)  Ce Ci KT n  Ki KT  U r  s   KI KT  s  Lập tỉ số tín hiệu vào tín hiệu ta có: W(s)= K MF 1+TKT s (K MF = L K , TKT = KT ) R KT R KT 2.4.2.Máy điện khuếch đại từ trường ngang: Máy điện khuếch đại từ trường ngang chế tạo đặc biệt với hệ số khuếch đại lớn Nguyên lý làm việc tương đương với hai tầng máy phát làm việc nối tiếp Hệ số khuếch đại tích hệ số khuếch đại hai tầng Người ta chế tạo roto máy điện khuếch đại có hai cặp chổi than đặt vng góc với Stator gồm nhiều cuộn dây điều khiển để tổng hợp tín hiệu khác chúng có tổng trở khác Ngồi để khử ảnh hưởng dịng tải (bù phản ứng phần ứng) người ta dùng cuộn bù mắc mạch tải Sơ nguyên lý hình 2.12 + i1 + w1 MF u1= uc® 1 L1 Xr = E R1 - K i2 + EK, RK, LK, RIK w2 u2 2 L2 b Cb R2 - - i3 + w3 u3 3 L3 R3 - Hình 2.12: Máy điện khuếch đại từ trường ngang Sơ đồ tương đương sau: i u 1 w1 L1 EK MF2 MF1 Xr = E R1 K Hình 2.13: Sơ đồ tương đương máy điện khuếch đại từ trường ngang Nguyên lý làm việc: Từ thông sinh cuộn dây kích thích sinh sức điện động Ek vòng ngắn mạch Sức điện động sinh dòng điện Ik từ thơng k Từ thơng 1 có chiêù vng góc với k k sinh sức điện động E tầng Giả thiết cuộn dây phần tĩnh tính qui đổi cuộn dây Việc tổng hợp dựa nguyên tắc tổng hợp từ, với sơ đồ ta giả sử : Cuộn cuộn chủ đạo có số vịng dây W1, dòng điện i1, u1 = ucđ Cuộn cuộn phản hồi âm áp có số vòng dây W2, dòng điện i2, u2 = u Cuộn cuộn phản hồi dương dịng có số vòng dây W1, dòn điện i3, u3 = i Với cực tính cuộn dây hình vẽ ta có : w1i   w1i1  w 2i  w 2i3 i   i1   → với w w u w2 u w u i  i3   2  3 w1 w1 R w1 R w R u cd w u w i   R w1 R w R i  R1  Ucđ  K1..u  K .i K1  w R1 , w 1R K2  w R1 w 1R u, i: điện áp dòng điện mạch tải di  ; E k  ce11n ; 1  c1i  dt Ta có: E k  c1ce1ni   K1i  u   i  R1  L1 Mặt khác ta lại có: EK  i K R K  LK di K ; E  ce2K n ; K  c2i K dt E  c2ce2 ni K  K 2i K Biến đổi Laplace hai vế với điều kiện đầu khơng ta có:(Với: T1  U   s   I  s  R1 1  T1s  E K  s   K1I K  s  E K  s   IK  s  R K 1  TK s  E  s   K IK  s  Từ biểu thức ta có: EK s   E s  K1 K U  s   T1 U  s  R1 1  T1s   T1s K2 K T2 K T2 K T1 E  s   E s   U  s  R K 1  TKs   TKs  TKs  T1s K T2 K T1 U s Y  s   TK s  T1s  K T1 K T2 W s    X s  U s   T1s  TK s L1 L TK  K ) R1 RK Với: K T1  K1 R1 K T2  K2 RK Hàm truyền máy điện khuếch đại từ trường ngang hai khâu quán tính nối tiếp 2.4.3.Mạch khuếch đại bán dẫn (Dùng khuếch đại thuật toán) Nếu coi khuếch đại thuật tốn lý tưởng, có tổng trở vào vô lớn Zv , tổng trở vô nhỏ Zr 0, điện áp vào vi sai u0 = Khi dịng vào i0 = i1 = i2, đầu vào không đảo nối mát  u+ =0  u- = Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại bán dẫn Do U  nên I1  s   UV  s  Z1  s  I2  s   Ur s  Z2  s  Do I0  nên I1  s   I0  s   I  s   I  s   Z2 U r  s  Z2  s   U V  s  Z1  s  Trong Z1  s  , Z2  s  tổng trở i1 u Z1 - i0 u0 uV Laplace với điều kiện đầu u i2 + ur + Hình 2.14: Sơ đồ mạch khuếch đại bán dẫn a Mạch tỉ lệ (khâu P): Trong sơ đồ, Z1 = R1, Z2 = R2 ta có hàm truyền là: W(s)= R Y(s) U R (s) = = - = KP X(s) U V (s) R1 Đây hàm truyền khâu tỉ lệ b Mạch tích phân (khâu I): Khi Z1 = R1, Z2 = C Tương tự ta có: W(s)= Y(s) U R (s) 1 = ==X(s) U V (s) R1Cs Ts i1 C R1 uV + i2 uR T = R1C số thời gian Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch tích phân c Mạch vi phân (khâu D): Hình 3.16 Khi Z1 = C, Z2 = R2 Làm tương tự ta có: W(s)= Y(s) U R (s) = = -R 2Cs = -Ts X(s) U V (s) R2 với T = R2C số thời gian vi phân i2 C i1 uV + uR Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân 2.5 Động điện Động điện chiều kích từ độc lập với tín hiệu vào điện áp phần ứng tín hiệu tốc độ: Một cách tổng quát động chiều thay sơ đồ nguyên lý sau : Từ sơ đồ ta có : iu + u v  t   K e n  t   i u  t  R u  Lu di u  t  dt u v  t   K e n  t   i u  t  R u  Lu di u  t  dt uv § n Hình 2.17 : Động điện chiều kích từ độc lập Chuyển sang tốn tử Laplace ta có : U v  s   K e n  s   Iu  s  R u  Lu Iu s  s  L  U v  s   K e n  s   I u  s  R u 1  u s   Ru  Đặt: KD  T  hệ số khuếch đại động (Ke hệ số sức điện động ĐC ) Ke Lu số thời gian điện từ Ru Thay vào phương trình ta có :   1 Iu  s    U v  s   n s  KD   R u 1  Ts  Từ phương trình ta có sơ đồ cấu trúc sau : n(s) (- ) Uv(s) I(s) Mặt khác ta lại có : M D  Mc   GD2 dn 375 dt ; M  K Mi GD2 dn K M i u  t   ic  t   375 dt Trong đó: KM = 9,55Ke hệ số mômen GD2 (Nm2) mômen vô lăng Thông số tuỳ thuộc vào cấu tạo rôto động Chuyển sang tốn tử Laplace ta có : GD sn  s   I u  s   Ic  s    375K M GD R u K e sn  s   I u  s   Ic  s    375K M K e R u Đặt : GD R u  TM 375K M K e sn  s   I u  s   Ic  s    TM KDR u n  s    I u  s   Ic  s   KDR u TM s Từ phương trình ta có sơ đồ cấu trúc sau : Ic(s) (-) Iu(s) n(s) Từ hai sơ đồ cấu trúc ta đưa sơ đồ cấu trúc động sau: Uv(s) Iu(s) Ic(s) (-) n(s) (-) Xác định hàm truyền: Để đơn giản ta xét động làm việc chế độ không tải Mc = 0, hay Ic = biến đổi tương đương ta có sơ đồ cấu trúc đơn giản hơn: W(s) = KD 1+TMs + T­ TM s 2.6 Mơ hình máy phát điện điều khiển Như biết, thay đổi công suất tác dụng lưới điện làm cho tần số hệ thống theo đổi theo Trong đó, thay đổi cơng suất phản kháng không làm thay đổi nhiều tần số lưới mà nguyên nhân làm thay đổi điện áp Vì vậy, hệ thống điện cơng suất thực công suất phản kháng điều khiển độc lập Do đó, tốn điều khiển tần số tải (Load frequency control – LFC) thực thông qua mối quan hệ cơng suất thực tần số cịn toán tự động điều khiển điện áp (Automatics voltage regulator – AVR) thực chất toán điều khiển công suất phản kháng theo biên độ điện áp tải Bài toán điều khiển tần số toán quan trọng hệ thống điện có liên kết cao phục vụ cho cơng tác vận hành hệ thống điện lớn Cho đến nay, nhiều vấn đề để bàn vấn đề Ban đầu, phương pháp điều khiển phát triển để phục vụ cho máy phát độc lập cuối dùng cho hệ thống liên kết lớn với đời trung tâm điều khiển lượng (energy control centers- ECC) Ngày trung tâm điều khiển lượng đại trang bị hệ thống máy tính one – line để hiển thị tất tín hiệu xử lý gửi từ hệ thống thu thập liệu (remote acquisition systems) biết hệ thống SCADA (supervisory Control And Data Acquisition) Trong chương đề cập đến khái niệm hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control systems) Để hiểu rõ vấn đề trình bày chương này, người đọc cần tìm hiểu trước hệ thống hồi tiếp, hệ thống điều khiển tuyến tính toolbox điều khiển Matlab Trong vận hành mạng điện hệ thống tự động điều khiển công suất tác dụng (automation generation control – AGC) quan trọng nên chúng xem xét đầu tiên.Tiếp hệ thống điều khiển cơng suất phản kháng ổn định điện áp; hệ thống điều khiển kích từ Trong hệ thống liên kết lớn, hệ thống điều khiển tải, tự động ổn định điện áp lắp đặt tổ máy phát minh họa hình 2.18 Các thiết bị điều khiển cài đặt cho chế độ điều kiện làm việc cụ thể đảm bảo thay đổi nhu cầu phụ tải không làm cho tần số biên độ điện áp dao động vượt ngồi giới hạn cho phép Hình 2.18 Sơ đồ khối hệ thống LFC AVR máy phát đồng Một thay đổi nhỏ công suất tác dụng phát kết thay đổi góc cơng suất  tần số tải Cịn thay đổi thơng số hệ thống kích từ (dịng kích từ) làm cho cơng suất phản kháng thay đổi (vấn đề xem xét lý thuyết hệ thống điện) Hằng số thời gian hệ thống kích từ phải nhỏ thời động sơ cấp độ chúng phải nhanh động sơ sơ cấp không ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển tải động Vì vậy, hệ thống điều khiển tần số tải hệ thống tự động ổn định điện áp không làm việc chồng chéo lên phân tích chúng hệ thống độc lập Lý thuyết mơ hình tốn máy phát điện đồng trình bày tài liệu máy điện Trong tài liệu áp dụng kết chung phương trình động học máy phát điện để phục vụ toán điều khiển hệ thống điện Gọi Td momen điện từ máy phát điện đồng bộ, Tc moment động kéo sơ cấp, bỏ qua tổn thất điều kiện vận hành bình thường ta có Td=Tc Tuy nhiên thời điểm ban đầu có cân (có dịch chuển động tương đối từ trưởng quay roto) nên dẫn tới momen Tc lớn nhỏ momen điện từ Td Khi xuất moomen tương đối rotor Tr xác định theo công thức: Tc-Td=Tr (2.1) Gọi J momen quán tính tổng hợp động sơ cấp máy phát điện, bỏ qua dao động bé độ suy giảm phương trình chuyển động quay tương đối roto xác định sau: d 2 c J  Tc  Td  Tr dt (2.2) Trong c góc dịch chuyển roto so với trục chuẩn Stator Mặt khác, điều kiện tốc độ đồng vận tốc góc khổng đổi góc dịch chuyển xác định sau: c= ct+c (2.3) Với c góc vị trí rotor trước đối xứng( thời điểm khảo sát t=0), xác định từ điều kiện ban đầu tốn Khi phương trình vi phân (2.2) viết lại sau: J d c d   oc  c   c dt dt (2.4) Với c vận tốc góc roto Gia tốc rotor lúc xác định cách đạo hàm phương trình: d 2c d c J  dt d t (2.5) Thay vào phương trình ta có: d 2c J  Tc  Td d t Nhân vế phương trình (2.6) với  c , ta được: (2.6) d 2 c J c   cTc   cTd d t (2.7) d 2 c J c  Pc  Pd d t (2.8) Hay Với Pd công suất điện từ Pc công suất động sơ cấp Thành phần Jc gọi số quán tính thường ký hiệu MT Hằng số quán tính liên hệ với động quay Ec rotor biểu thức: Ec  1 J c  M T c 2 (2.9) Hay MT  Ec (2.10) c Lưu ý MT số qn tính, thật số xẩy đồng (tốc độ rotor lệch so với tốc độ đồng bộ) Tuy nhiên, c không thay đổi nhiều trước điều kiện ổn định bị nên MT xem xét tốc độ đồng số, nghĩa là: MT  Ec (2.11) c Lý thuyết máy điện chứng minh mối liên hệ góc cơng suất  có mối liên hệ với góc lệch c số đơi cực từ p vủa máy phát đồng sau:  Hay   p c p c Thay hai giá trị vào phương trình ta được: d 2 c M T  Pc  Pd p d t (2.12) Phương trình (2.12) phương trình động học máy phát điện đồng theo góc cơng suất  Nếu biểu diễn hệ đơn vị tương giá trị cơng suất Scb phương trình (2.12) viết lại: 2 Ec d 2 c  Pc (pu)  Pd (pu) p Scb oc d 2t Nếu đặt H  (2.13) Ec [MJ/MVA] chúng gọi số quán tính đơn vị Scb chúng có đơn vị tính giây (s) Mặt khác, tốc độ đồng oc liên hệ với tốc độ điện đồng 0 theo biểu thức 0= (p/2)0c, nên phương trình (2.13) viết lại theo tốc độ đồng sau: H d 2 c  Pc (pu)  Pd (pu)  oc d 2t (2.14) Hay viết dạng tần số là: H d 2 c  Pc  Pd  f0 d 2t (2.15) Lưu ý phương trình (2.15) có  đơn vị tính radian, giá trị cơng suất tính hệ đơn vị tương đối Như vậy, Khi thay đổi nhỏ góc cơng suất dẫn đến thay đổi công suất phương trình (2.14) viết trường hợp sau: H d 2 c  Pc  Pd  oc d 2t (2.16) Hay viết theo tốc độ thì: d  o dt  Pc  Pd 2H (2.17) Nếu biểu diễn tốc độ hệ đơn vị tương đối thì: d   Pc  Pd dt 2H (2.18) Biến đổi Laplace phương trình 18 ta được: (s)  Pc (s)  Pd (s) Hs (2.19) Sơ đồ khối thay cho mối quan hệ phương trình (2.19) minh họa hình 2.19: Hình 2.19 Sơ đồ khối mơ hình máy phát 2.8 Mơ hình động sơ cấp (turbine) Công suất làm quay rotor máy phát điện gọi chung động sơ cấp; turbine thủy điện dùng lượng từ nguồn nước; turbine nhiệt điện dùng lượng từ q trình đốt than, khí hay dầu, phản ứng hạt nhân Mơ hình động sơ cấp turbine phải thể mối liên hệ độ thay đổi công suất Pc theo độ thay đổi vị trí van điều khiển PV Với turbine khác nhau, mối quan hệ khác Đối với turbine nhà máy nhiệt điện khơng có chu trình hồi nhiệt, xem ét mối quan hệ dạng hàm Gc(s) sau: G (s)  Pc (s)  Pv (s)   c s (2.20) Ở  c số thời gian turbine, thơng thường khoảng 0,2 đến giây Mơ hình điều khiển cho động kéo sơ cấp máy phát điện đồng hình 2.20 Hình 2.20 Sơ đồ khối mơ hình động sơ cấp Mơ hình máy phát, tubine kết hợp tải Tải tổ máy phát điện hệ thống điện phụ thuộc vào thiết bị gắn vào lưới điện đy giá trị biến thiên liên tục Sự thay đổi tải hệ thống điện chia thành nhóm Nhóm thứ nhóm tải thay đổi không phụ thuộc vào thay đổi tần số lưới điện loại tải nhiệt, tải chiếu sáng Nhóm thứ hai nhóm mà thay đổi công suất lưới điện làm thay đổi cơng suất tải; nhóm tải động Sự thay đổi công suất động theo tần số phụ thuộc vào đường đặc tính tốc độ- tải thiết bị truyền động Đường đặc tính tốc độ - tải tải tổng hợp xấp xỉ sau: Pd  PL  K  (2.21) Hình 2.21 Sơ đồ khối mơ hình turbine – máy phát tải Ở PL độ thay đổi tải không ảnh hưởng tần số K phần tải thay đổi phụ thuộc vào tần số Hệ số K hiểu tỷ số phần trăm thay đổi tải chia cho phần trăm thay đổi tần số Mơ hình tải máy phát minh họa hình dưới: Hình 2.22 Sơ đồ khối turbine – máy phát tải rút gọn 2.8 Mơ hình điều tốc Khi cơng suất tải tăng đột ngột, công suất điện máy phát vượt công suất turbine Sự thiếu hụt bù đắp động quay tích trữ turbine Hình 2.23 Sơ đồ khối điều tốc Kết giảm động quay làm cho tốc độ turbine giảm dẫn đến tần số dòng điện phát máy phát giảm Sự thay đổi tốc độ tác động lên điều tốc turbine Từ đây, điều tốc phát tín hiệu mở van điều khiển lưu lượng khí, nước để thay đổi cơng suất đầu turbine cách sớm Lúc turbine đạt đến trạng thái ổn định tĩnh Sơ đồ khối điều khiển tốc độ họa hình 2.23 Ở trạng thái vận hành ổn định, điều tốc thiết kế cho phép tốc độ giảm tăng theo đặc tính tĩnh Hệ số góc đường đặc tuyến đại diện cho lượng tốc độ điều chỉnh R ( R   / P ) Các điều tốc thực tiễn thường có lượng tốc độ điều chỉnh khoảng đến 6% tốc độ định mức tải biến thiên từ khơng đến giá trị định mức Hình 2.24 Đặc tính tốc độ trạng thái tĩnh máy phát theo công suất Độ lệch công suất phát máy phát Pg so sánh với giá trị lệch chỉnh định trước Pref; có sai khác hiệu chỉnh tốc độ theo đường đặc tuyến hình 2.24 minh họa dạng biểu thức sau:   Pref  Pg R (2.22) Hay viết miền s ta được: (s)  Pref (s)  Pg (s) R (2.23) (s) R (2.24) Hay: Pg (s)  Pref (s)  Độ lệch công suất khuếch đại đưa đến điều khiển làm thay đổi vị trí mở van (khí, nước) Nếu giả thiết mối liên hệ tuyến tính viết sau: Pv  s   Pg  s  1 g (2.25) Hình 2.25 Sơ đồ khối đại diện cho hệ thống điều chỉnh tốc độ Trong đó, g số thời gian Hai phương trình (2.24) (2.25) họa dạng sơ đồ khối hình 2.25 Kết hợp sơ đồ khối hình 2.20, hình 2.22 hình 2.25 ta có sơ đồ khối tổng thể điều khiển tần số tải hệ thống độc lập sơ đồ hình 2.26 Hình 2.26 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tần số tải LFC Tới đây, với Pref(s) số chỉnh định trước; ta xem hệ thống có PL(s) đầu vào (s) đầu Khi sơ đồ khối điều khiển tần số tải thiết lập đơn giản hình 2.27 Hình 2.27 Sơ đồ khối hệ thống LFC với đầu vào PL(s), đầu (s) Sơ đồ khối hình 2.27 viết dạng hàm truyền vòng hở A.G(s).H(s) với A số (A=1/R) là: AG (s) H(s)  1 R (2Hs  K)(1   g s)(1   c s) (2.26) Viết dạng hàm truyền đạt vịng kín thể mối quan hệ độ thay đổi tải theo độ thay đổi tốc độ sau: (1   g s )(1   c s) (s)  PL (s) (2Hs  K)(1   g s)(1   c s)  / R (2.27) (s)  PL (s)T (s) (2.28) Hay: Với: T(s) vế phải phương trình (2.27) Sự thay đổi cơng suất tải nhận dạng theo nấc nên PL (s)  PL / s Độ lệch tốc độ thời điểm trạng thái ổn định xác định sau: s  Lim s (s)  ( PL ) KA (2.29) Lưu ý rằng, trường hợp khơng có thành phần thay đổi tần số tải (K), nghĩa K=0 độ lệch tần số trạng thái tĩnh phụ thuộc vào lượng điều chỉnh tốc độ điều tốc Khi đó: s  ( PL )R (2.30) Trong trường hợp tổng quát, hệ thống có n tổ máy phát với n điều tốc có n lượng điều chỉnh tốc độ R1, R2,…Rn độ lệch tần số trạng thái tĩnh xác định theo biểu thức: s  ( PL ) Với Ai  K  A1  A2  An (2.31) Ri 2.9 Hệ thống điều chỉnh kích từ Điện áp công suất phản kháng máy phát điều khiển thơng qua hệ thống kích từ Hệ thống kích từ máy phát trước thường dùng máy phát điện chiều đặt trục với máy phát cấp điện áp cho kích từ thơng qua hệ thống phiến góp - chổi than Ngày hệ thống kích từ đại thường tạo nên từ máy phát xoay chiều thơng qua chỉnh lưu gọi hệ thống kích từ khơng chổi than Sự thay đổi công suất tác dụng làm ảnh hưởng tới tần số lưới điện cịn thay đổi cơng suất phản kháng phụ thuộc vào biên độ điện áp Sự ảnh hưởng điện áp tần số trông điều khiển nhỏ Điều cho phép phân tích hai hệ thống điều khiển riêng biệt Hình 2.28 Sơ đồ khối AVR Cơng suất phản kháng lưới điện tạo chủ yếu từ máy phát đồng tụ Trong máy phát đồng bộ, Công suất phản kháng điều khiển từ thơng kích từ Điện áp lưới điện cịn điều khiển bổ sung thơng qua hệ thống truyền tải máy biến áp có đầuphân áp, đóng cắt tụ, ổn định điện áp, thiết bọ bù tĩnh Trong máy phát đồng công suất phản kháng điều khiển hệ thống tự động ổn định điện áp AVR Nhiệm vụ AVR trì biên độ điện áp phát giá trị chỉnh định Nguyên lý AVR minh họa hình 2.28 Sự tăng công suất phản kháng phụ tải kèm theo giảm biên độ điện áp; điện áp ghi nhận thông qua máy biến điện áp TU Điện áp chỉnh lưu so sánh với giá trị đặt ban đầu Sai số điện áp phản hồi điên áp đặt khuếch đại đưa tín hiệu điều khiển tăng từ thơng cuộn kích từ ngồi Từ làm cho dịng điện kích từ máy phát tăng dẫn đến tăng sức điện động máy phát.Công suất phản kháng phá máy phát đạt tới giá trị cân mới; điện áp đầu cực máy phát tăng lên giá trị mong muốn Trước hết xem xét mô hình tốn khuếch đại Bộ khuếch đại đặc trưng hàng số độ lợi KA số thời gian A thông qua hàm truyền sau: VA (s) KA  Vr (s) (1   A s) (2.32) Với AVR thơng dụng KA có giá trị từ 10 đến 400; số thời gian khuếch đại có giá trị nhỏ nằm khoảng 0,02 đến 0,1 giây thường bỏ qua Mơ hình tốn thứ hai mà xem xét mơ hình kích từ Có nhiều loại kích từ khác Tuy nhiên, với máy phát điện đại ngày nay, kích từ thường dùng kích từ xoay chiều liên tục cơng suất lớn chỉnh lưu có điều khiển SCR Điện áp đầu máy phát kích từ VE hàm phi tuyến với điện áp kích thích ban đầu VA Điều ảnh hưởng kích từ Vì mối liên hệ điện áp đầu đầu vào kích từ phức tạp Rất nhiều mơ hình kích từ đưa tạp chí điện – điện tử Tuy nhiên mơ hình đại phù hợp mơ hình kích từ tuyến tính Với thông số quan trọng số thời gian; thơng số phi tuyến bỏ qua Trong trường hợp đơn giản nhất, hàm truyền kích từ cho máy phát kích từ đại diện hàng số thời gian E độ lợi KA minh họa sau: VE (s) KE  VA (s) (1   E s) (2.33) Trong công thức (2.33) số thời gian thường nhỏ Đới tượng AVR máy phát điện; nên phải xem xét mô hình máy phát trường hợp Sức điện động tạo máy phát hàm đường cong từ hóa điện áp phụ thuộc vào tải chúng Trong mơ hình tuyến tính, hàm truyền đạt thể mối liên hệ điện áp Vt(s) máy phát với điện áp đầu vào cuộn kích từ đại diện số độ có lợi KG, số thời gian G sau: Vt (s) KG  VE (s) (1   G s) (2.34) Trong công thức (2.34) KG, G phụ thuộc vào điều kiện tải; KG có giá trị 0,7 đến G có giá trị từ đến giây giá trị 100% định mức đến không tải Khối đo điện áp mô tả mơ hình tốn; thiết bị đo dây biến điện áp TU Điện áp sau TU đưa đến chỉnh lưu cầu Hàm truyền đạt đơn giản khâu mô tả sau: Vg (s) Vt (s)  Kg (1   g s) (2.35) Ở đây: Vdo điện áp đo sau qua TU chỉnh lưu; do có giá trị nhỏ (thường nằm khoảng 0,01 đến 0,06 giây) Với tất khâu mơ tả ta có sơ đồ khối AVR minh họa hình 2.29 Hình 2.29 Sơ đồ khối AVR Hàm truyền đạt vòng hở cho AVR viết sơ đồ khối hình 2.29 sau: AG (s) H(s)  K A K E KG K S (1   As)(1   E s)(1   g s )(1   s s ) (2.36) Hàm truyền đạt vòng kín thể mối liên hệ điện áp Vt điện áp Vref thể sau: Vt (s) K AK E K G (1   s s)  Vref (s) (1   A s)(1   g s)(1   s s)  K AK E K G K s (2.37) Nếu giá trị điện áp đặt đầu vào có dạng Vref(s)=1/s đáp ứng trạng thái tĩnh điện áp đầu xác định sau: Vtss  Lim sVt (s)  KA 1 KA (2.38) ... (2. 25) Hình 2. 25 Sơ đồ khối đại diện cho hệ thống điều chỉnh tốc độ Trong đó, g số thời gian Hai phương trình (2. 24) (2. 25) họa dạng sơ đồ khối hình 2. 25 Kết hợp sơ đồ khối hình 2. 20, hình 2. 22. .. ảnh hưởng dịng tải (bù phản ứng phần ứng) người ta dùng cuộn bù mắc mạch tải Sơ nguyên lý hình 2. 12 + i1 + w1 MF u1= uc® 1 L1 Xr = E R1 - K i2 + EK, RK, LK, RIK w2 u2 ? ?2 L2 b Cb R2 - - i3 + w3... đồ khối hình 2. 20, hình 2. 22 hình 2. 25 ta có sơ đồ khối tổng thể điều khiển tần số tải hệ thống độc lập sơ đồ hình 2. 26 Hình 2. 26 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tần số tải LFC Tới đây, với Pref(s)