Tài liệu MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG ĐIỆN pptx

Tác giả: Th.S TRẦN ANH DŨNG, KS VƯƠNG ĐỨC PHÚC Hiệu đính: Th.S ĐỖ VĂN A MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG ĐIỆN HẢI PHÒNG - 2007 1 Mục Lục M c L cụ ụ 2 L I NÓI UỜ ĐẦ .4 PH N I: MÔ PH NG CÁC THI T B VÀ H TH NG N NG Ầ Ỏ Ế Ị Ệ Ố Ă L NG I N TRÊN TÀU THUƯỢ Đ Ệ Ỷ .5 Ch ng 1: MÔ HÌNH TOÁN H C C A MÁY PHÁT NG B CÓ ươ Ọ Ủ ĐỒ Ộ CH I THANỔ 5 1.1: THÀNH L P H PH NG TRÌNH C A MÁY PHÁT NG Ậ Ệ ƯƠ Ủ ĐỒ B H TR C C NH.ỘỞ Ệ Ụ ỐĐỊ .5 1.2: H PH NG TRÌNH C A MÁY PHÁT NG B VI T HỆ ƯƠ Ủ ĐỒ Ộ Ế Ở Ệ TR C QUAYỤ .13 1.3: T NH TOÁN CÁC THÔNG S MÁY PHÁT NG BÍ Ố ĐỒ Ộ .32 1.4: N GI N HOÁ H PH NG TRÌNH MÁY PHÁT NG BĐƠ Ả Ệ ƯƠ ĐỒ Ộ 39 Ch ngươ 2 : MÔ HÌNH TOÁN H C C A T I I X NGỌ Ủ Ả ĐỐ Ứ 41 2.1. MÔ HÌNH TOÁN H C C A T I I X NG H TR C Ọ Ủ Ả ĐỐ Ứ Ở Ệ Ụ NG YÊN (A,B,C)ĐỨ 41 Ch ng 3: MÔ HÌNH TOÁN H C C A NG C KHÔNG NG ươ Ọ Ủ ĐỘ Ơ ĐỒ BỘ .45 3.1. H PH NG TRÌNH C A NG C D B H TR C Ệ ƯƠ Ủ ĐỘ Ơ Ị Ộ Ở Ệ Ụ QUAY (d,q) 45 3. 2. A H PH NG TRÌNH C A NG C KHÔNG NG ĐƯ Ệ ƯƠ Ủ ĐỘ Ơ ĐỒ B V GIÁ TR T NG IỘ Ề Ị ƯƠ ĐỐ .50 3.3. T NH TOÁN CÁC THÔNG S C A NG C KHÔNG NG Í Ố Ủ ĐỘ Ơ ĐỒ BỘ .55 3. 4 . N GI N HOÁ H PH NG TRÌNH C A NG C ĐƠ Ả Ệ ƯƠ Ủ ĐỘ Ơ KHÔNG NG BĐỒ Ộ 57 Ch ng 4: MÔ HÌNH TOÁN H C C A B T NG I U ươ Ọ Ủ Ộ ỰĐỘ Đ Ề CH NH I N ÁPỈ Đ Ệ 58 4.1. NGUYÊN LÝ LÀM VI C C A B T NG I U CH NH Ệ Ủ Ộ ỰĐỘ Đ Ề Ỉ I N ÁP. Đ Ệ .58 Ch ng 5 : NG D NG SIMULINK TRONG MATLAB XÂY ươ Ứ Ụ D NG MÔ HÌNH CÁC H TH NG N NG L NG VÀ TRUY N Ự Ệ Ố Ă ƯỢ Ề NG I N TÀU THUĐỘ Đ Ệ Ỷ .62 5.1 KH ÁI QU ÁT CHUNG V PH N M M MATLAB Ề Ầ Ề .62 2 5.2. MÔ PH NG QUÁ TRÌNH KH I NG NG C M T Ỏ Ở ĐỘ ĐỘ Ơ Ộ CHI UỀ 68 5.3. MÔ PH NG QUÁ TRÌNH T K CH C A MÁY PHÁT NG Ỏ Ự Í Ủ ĐỒ BỘ .68 5.4. MÔ PH NG QUÁ TRÌNH ÓNG T I I X NG R - L VÀO Ỏ Đ Ả ĐỐ Ứ MÁY PHÁT NG B .ĐỒ Ộ 71 5.5. MÔ PH NG NG C KHÔNG NG B L Y NGU N Ỏ ĐỘ Ơ ĐỘ Ộ Ấ Ồ T L I C NGỪ ƯỚ Ứ 77 5.6. MÔ PH NG NG C KHÔNG NG B L Y NGU N T Ỏ ĐỘ Ơ ĐỒ Ộ Ấ Ồ Ừ MÁY PHÁT NG BĐỒ Ộ .82 5.7 MÔ PH NG T NG H P CÁC QUÁ TRÌNH T K CH NGỎ Ổ Ợ Ự Í ĐỘ 84 Ch ng 6 : MÔ HÌNH TOÁN H C C A B I U T C CHO NGươ Ọ Ủ ỘĐ Ề Ố ĐỘ C C P C A MÁY PHÁT NG BỚ Ấ Ủ ĐỒ Ộ .87 6.1. C U T O, NGUYÊN LÝ HO T NG C A B I U T C Ấ Ạ Ạ ĐỘ Ủ Ộ Đ Ề Ố TR C TI PỰ Ế 87 6.2. H PH NG TRÌNH C A NG C S C P VÀ B I U Ệ ƯƠ Ủ ĐỘ Ơ Ơ Ấ ỘĐ Ề T C TÁC NG TR C TI PỐ ĐỘ Ự Ế .89 6.3. B I U T C TÁC NG GIÁN TI P VÀ PH NG TRÌNH ỘĐ Ề Ố ĐỘ Ế ƯƠ C A NÓỦ 90 6.4. N GI N HOÁ H PH NG TRÌNH C A NG C S ĐƠ Ả Ệ ƯƠ Ủ ĐỘ Ơ Ơ C P VÀ B I U T CẤ ỘĐ Ề Ố 91 6.4. B I U T C LIÊN H PỘĐ Ề Ố Ợ 92 6.5. C T NH NGOÀI C A B I U T C LIÊN H PĐẶ Í Ủ ỘĐ Ề Ố Ợ .93 6.6. XÂY D NG MÔ HÌNH H TH NG CHO NG C S C PỰ Ệ Ố ĐỘ Ơ Ơ Ấ – MÁY PHÁT NG B - T IĐỒ Ộ Ả 94 Ch ng 7: MÔ PH NG CÁC THI T B BI N I CÔNG SU Tươ Ỏ Ế Ị Ế ĐỔ Ấ .97 7.1. MÔ PH NG M CH CH NH L U N U CHU K .Ỏ Ạ Ỉ Ư Ử Ỳ .97 7.2: MÔ PH NG C U CH NH L U M T PHA D NG THIRISTORỎ Ầ Ỉ Ư Ộ Ù 103 Ch ng 8: MÔ PH NG CÁC B BI N I I N ÁP VÀ CÁC B ươ Ỏ Ộ Ế ĐỔ Đ Ệ Ộ BI N T N CÔNG SU TẾ Ầ Ấ .120 BÀI 8.1 : MÔ PH NG B BI N I I N ÁP M T PHA D NG Ỏ Ộ Ế ĐỔ Đ Ệ Ộ Ù TIRISTOR 120 BÀI 8.2 : MÔ PH NG B BI N I I N ÁP 3 PHAỎ Ộ Ế ĐỔ Đ Ệ 124 BÀI 8.3 : MÔ PH NG B BI N I BBIGT I U CH R NG Ỏ Ộ Ế ĐỔ Đ Ề ẾĐỘ Ộ XUNG PWM 129 3 LỜI NÓI ĐẦU Mô hình hoá và mô phỏng là nột phương pháp nghiên cứu khoa học để nghiên cứu đối tượng, nó thay thế đối tượng bằng một mô hình để nhằm thu thập các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình. Ngày nay với sự trợ giúp của các máy tính có tóc độ cao mà phương pháp mô hình hoá được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, đến vận hành các hệ thống trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội như: Quân sự, kinh tế, xã hội… Phương pháp mô hình hoá thường được sử dụng trong các trường hợp sau đây: 1. Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp khó khăn do nhiều nguyên nhân: - Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt - Nghiên cứu trên hệ thống thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho con người cũng như thiết bị - Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài 2. Phương pháp mô hình hoá cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc câu trúc của hệ thốngcũng như đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển. Những số kiệu này dùng để thiết kế hệ thống cũng như vận hành hệ thống 3. Phương pháp mô hình hoá cho phép nghiên cứu hệ thống ngay cả khi chưa có hệ thống thực: Trong trường hợp chưa có hệ thống thực thì nghiên cứu trên mô hình là biện pháp duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật, kựa chọn cấu trúc và các thông số tối ưu của hệ thống… Xuất phát từ tầm quan trọng đó nhóm tác giả đã tổng hợp và viết cuốn sách “ Mô hình hoá hệ thống điện”. Cuốn sách trình bày mô hình toán của các loại máy điện,các bộ biến đổi và hệ thống năng lượng điện từ đó mô phóng các hệ thống này trên máy tính. Có nhiều phần mềm cho phép ta mô phỏng và nghiên cứu song phần mềm dễ sử dụng và đáp ứng được những yêu cầu của đối tưọng thực đó là phần mềm Matlab. Cuốn sách là tài liệu tham khảo tốt cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, sinh viên trong lĩnh vực công nghệ. Hải Phòng tháng 2 năm 2007 Nhóm tác giả 4 PHẦN I: MÔ PHỎNG CÁC THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRÊN TÀU THUỶ Chương 1: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ CÓ CHỔI THAN 1.1: THÀNH LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Ở HỆ TRỤC CỐ ĐỊNH. 1.1.1. Xét máy phát đồng bộ có cấu tạo như hình vẽ, trong đó Ws: Cuộn dây 3 pha stato, W f : Cuộn dây kích từ còn D W , Q W : Cuộn dây ổn định theo trục dọc và ngang. Hình 1.1 Hệ(a,b,c) hệ cố định gắn liền với Stator Hệ (d,q) hệ trục quay gắn liền với tốc độ quay của Rotor. 5 a Ws b c Wf q d γ WQ WD ( ) da,= γ : Góc giữa trục cuộn dây Stator pha A và trục dọc Rotor Để đưa ra các phương trình của máy phát đồng bộ miêu tả mối quan hệ giữa các đaị lượng điện áp, dòng điện và từ thông móc vòng của các cuộn dây Stator, kích từ và ổn định ta sử dụng định luật cảm ứng điện từ và định luật Kiêchốp 2. Ta ký hiệu các đại lượng như sau: u a , u b , u c : Điện áp tức thời trên các cuộn dây pha ở Stato. i a , i b , i c : Dòng điện trên các cuộn dây pha. ψ a , ψ b , ψ c : từ thông của các cuộn dây pha a,b,c ở Stato. cba rrrr === : điện trở thuần của các cuộn dây stato. u f , i f , ψ f : Điện áp, dòng điện từ thông móc vòng của cuộn kích từ r f : Điện trở thuần cuộn kích từ. QDQDQD rrii ,,,,, ψψ : dòng điện, từ thông, điện trở thuần của cuộn ổn định theo trục dọc và trục ngang. 1. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP CỦA CÁC CUỘN DÂY. Theo định luật kiechop 2: rieu aaa .−= (1.1) rieu bbb .−= (1.2) rieu ccc .−= (1.3) Trong đó : dt d e a a ψ −= ; dt d e b b ψ −= ; dt d e c c ψ −= Cuộn kích từ và cuộn ổn định: ffff ireu .+−= (1.4) dt d e f f ψ −= (1.5) dt d rieir D DDDDD ψ +=−= 0 (1.6) 6 dt d ri Q QQ ψ += .0 (1.7) 1.1.2. CÁC PHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG HỖ TỪ CỦA CÁC CUỘN DÂY. a. Để viết phương trình tương hỗ từ thì ta nhận thấy rằng từ thông móc vòng của một cuộn dây không những phụ thuộc dòng điện của cuộn dây đó mà còn phụ thuộc vào tất cả các cuộn dây nằm trong mạch từ của máy mang dòng điện. Xét mạch từ gồm 2 cuộn dâynhư hình vẽ Hình 1.2 Theo định luật dòng điện toàn phần Ta có : ∫ Σ= IdlH. Giả thiết rằng tất cả các đường từ thông của cuộn dây đều đi theo mạch từ theo suốt chiều dài của mạch khi đó cường độ từ trường H=const ∫ ±=Σ==⇒ 2211 wiwiilHdlH tb ở đó: 0 0 .w.S. . µµ ψ µµ ψ =⇒= =Φ= HHB wSB ( Trong đó B là độ từ cảm đo bằng T, S Tiết diện mạch từ, l chiều dài mạch từ) Như vậy đối với cuộn 1: SW H . 10 1 1 µµ ψ = ⇒ 2211 10 1 1 . . WiWi SW l H tb ±== µµ ψ 7 i 1 W 1 i 2 W 2 l tb 212112 021 1 0 2 1 1 . . iMiLi l SWW i l W tbtb ±=±=→ µµµµ ψ ở đó: tbtb l SWW M l SW L ; . 021 12 0 2 1 1 µµµµ == Tương tự với cuộn 2: 121222 iMiL ±= ψ Ta thấy: 2112 MM = Trong đó: :, 21 LL Hệ số tự cảm của cuộn dây. : 2112 MM = Hệ số hỗ cảm của cuộn 1 và cuộn 2. b. Áp dụng công thức trên cho mạch từ của 6 cuộn dây: QaQDaDfafcacbabaaa iMiMiMiMiMiL +++++= ψ (1.8) QbQDbDfbfcbcababbb iMiMiMiMiMiL +++++= ψ (1.9) QcQDcDfcfbcbacaccc iMiMiMiMiMiL +++++= ψ (1.10) odfodcfcbfbafafff iMiMiMiMiL . ++++= ψ (1.11) QDQfDfDDD iMiMiL . ++= ψ (1.12) DQDfQfQQQ iMiMiL . ++= ψ (1.13) Khi Rotor quay thì các hệ số tự cảm, hỗ cảm của các phương trình trên thay đổi. Nó thay đổi sau: c. Xét sự thay đổi của a L theo góc quay Rotor. γ 2cos.LmLoLa += (1.14) 8 γ=0 a a γ=90 0 Wf Wf Hình 1.3 Khi 0 0= γ thì MaxLmLoLa =+= Khi 0 90= γ thì MinLmLoLa =−= Hình 1.4 Tương tự khi xét sự thay đổi của LcLb, theo góc quay Rotor. )1202cos(. 0 0 ++= γ mb LLL (1.15) )1202cos(. 0 0 −+= γ mc LLL (1.16) Hình 1.5 d. Sự thay đổi của Mab theo góc quay γ. Ta nhận thấy hệ số hỗ cảm của cuộn dây pha a và pha b là âm vì góc lệch pha giữa chúng > 0 90 . maxMab khi Rotor nằm chính giữa 2 trục a,b ( ) 0 60= γ và đạt giá trị nhỏ nhất khi Rotor quay thêm 0 90 nữa. Mối quan hệ này thể hiện thông qua biểu thức 9 a a W f d W f d )1202cos(. 0 0 −+−= γ mab MMM (1.17) Tương tự thì : γ 2cos. 0 mbc MMM +−= (1.18) )1202cos(. 0 0 ++−= γ mac MMM (1.19) Mối quan hệ này được thể hiện Hình 1.6 e. Quan hệ hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stator và cuộn kích từ. Sự thay đổi của Maf theo γ: Ta thấy khi 0= γ thì khoảng cách của cuộn kích từ và cuộn dây pha a sẽ là gần nhất và lúc này hệ số hỗ cảm Maf là max và mang dấu (+) . Khi 0 90= γ thì trục của cuộn kích từ và trục của cuộn dây pha vuông góc nên chúng không tương hỗ với nhau nên 0=Maf .Tương tự cho sự thay đổi của các cuộn dây pha b, c với cuộn kích từ. Sự thay đổi này được thể hiện bằng công thức : 10 [...]... thì 12 điện = γ hinhhoc p (1.50) Khi tiến hành mô phỏng thì ta phải sử dụng bước tính nhỏ vì điện áp hình sin có tần số khoảng (50-60)Hz → T = ( 0,017 − 0,02) s 1.2: HỆ PHƯƠNG TRÌNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VIẾT Ở HỆ TRỤC QUAY 1.2.1 HỆ TRỤC QUAY: Do tính chất phức tạp mô hình toán của máy phát đồng bộ viết ở hệ trục cố định gây nhiều khó khăn cho quá trình mô phỏng, cho nên ta tìm cách đưa mô hình toán... trục được chọn trùng với chiều dương của điện áp, dòng điện Còn chiều dương trên trục d được chọn ngược với chiều điện áp, dòng điện q ψ ψq u i d ψd Hình 1.10 14 → ψ a = −ψ d cos γ −ψ q sin γ (1.57) ψ b = −ψ d cos(γ − 120 0 ) −ψ q sin(γ − 1200 ) (1.58) ψ c = −ψ d cos(γ + 120 0 ) −ψ q sin(γ + 1200 ) (1.59) 1.2.3 BIẾN ĐỔI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TỪ HỆ (a,b,c) SANG HỆ (d,q) + Ta có: ua = ud cosγ − uq sin... dụng hệ phương trình của máy phát đồng bộ ở hệ tương đối ta quy ước bỏ dấu (*), nhưng ngầm định các đại lượng đều đo ở giá trị tương đối Trừ một số đại lượng đặc biệt 1.3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 1.3.1 LÝ THUYẾT: Trong các hồ sơ, tài liệu của máy điện có thể biết được một số thông số có trong hệ phương trình của máy phát đồng bộ việt ở hệ phương trình tương đối, còn một số khác như hệ. .. df i f 20 ψ q = Lq iq + M dQ iQ Ld : Hệ số tự cảm của cuộn stator theo trục dọc M dD : Hệ số hỗ cảm của cuộn stator với cuộn ổn định M df : Hệ số hỗ cảm của cuộn stator với cuộn kích từ M dQ : Hệ số hỗ cảm của cuộn stator với cuộn ổn định theo trục ngang Tất cả các hệ số này đều là các hệ số không được tính trên cơ sở các phép tính, biến đổi Nó phụ thuộc vào các hệ số :Lo, Mo, Lm, Mm, Mf, MoD nhưng... 1.2.4 HỆ PHƯƠNG TRÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VIẾT Ở HỆ TRỤC (d,q) VÀ GIÁ TRỊ TƯƠNG ĐỐI - Khi mô phỏng thông thường người ta nghiên cứu các đại lượng ở giá trị tương đối để khảo sát máy điện về mặt định tính Nếu muốn định lượng thì người ta tính giá trị tương đối nhân với giá trị so sánh cơ bản a) Chọn các đại lượng so sánh cơ bản: - Điện áp Stato: Ub = - Un 2 : Biên độ điện áp pha định mức 3 Dòng điện Stato:... của máy phát đồng bộ về một mô hình mới viết ở hệ trục vuông góc( d,q) gắn liền với từ trường quay Rotor Hệ này gồm hai trục d và q vuông góc với nhau quay cùng với tốc độ quay rotor Trục d đặt dọc theo trục rotor gọi là trục dọc Trục q đặt ngang theo trục rotor gọi la trục ngang d q d c u ud a 0 γ 0 q uq b Hình 1.8 Ở hệ trục mới này ta sẽ nhận được các phương trình có các hệ số không đổi và có thể sử... β dt 0 = rQ iQ + rQ = roD + dψ Q (1.74) dt sin β : điện trở thuần của cuộn ổn định theo thành phần trục ngang sin α + Các phương trình tương hỗ viết ở hệ (d,q): Để chuyển đổi các phương trình tương hỗ giữa các cuộn dây từ hệ trục a,b,c sang hệ trục (d,q) người ta đưa ra một máy phát điện đồng bộ giả tưởng gồm các cuộn dây giả tưởng gắn liền với hệ trục (d,q) d : cuộn stator giả tưởng theo trục dọc... phát đồng bộ viết ở hệ trục (a,b,c) Hệ trục này gồm 3 trục a,b,c lệch nhau 120 0 trên mặt phẳng và đứng yên khi Rotor quay Từ các phương trình này ta có thể tiến hành mô phỏng thu được các đường đặc tính, giá trị tức thời các đại lượng như dòng điện, từ thông, điện áp theo góc quay Chúng ta lưu ý góc γ là góc lệch giữa trục của cuộn dây pha a và trục cuộn kích từ là góc lệch về điện Nếu máy phát đồng... số thực thì ta có thể sử dụng công thức chuyển đổi để tính 1.2.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA HAI HỆ TRỤC a Lấy đại lượng điện áp để xét 13 b q Ub Uc Uq U γ d γ 0 c Ud Ua p a Hình 1.9 u a = u d cos γ − u q sin γ (1.51) ub = u d cos(γ − 120 0 ) − u q sin(γ − 120 0 ) (1.52) uc = u d cos(γ + 120 0 ) − u q sin(γ + 120 0 ) (1.53) b Dòng điện ia = id cos γ − iq sin γ (1.54) ib = id cos(γ − 120 0 ) − iq sin(γ...γ = 180 0 γ = 90 0 Hình 1.7 M af = M f cos γ (1.20) M bf = M f cos(γ − 120 0 ) (1.21) M cf = M f cos(γ + 120 0 ) (1.22) f Quan hệ hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stator và cuộn ổn định Tương tự như lí luận quan hệ hệ số hỗ cảm giữa cuộn dây Stator và cuộn kích từ ta được: M aD = M D cos γ (1.23) M bD = M D cos(γ − . ưu của hệ thống Xuất phát từ tầm quan trọng đó nhóm tác giả đã tổng hợp và viết cuốn sách “ Mô hình hoá hệ thống điện . Cuốn sách trình bày mô hình toán. ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển. Những số kiệu này dùng để thiết kế hệ thống cũng như vận hành hệ thống 3. Phương pháp mô hình hoá cho