Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc cho các trạm thủy điện

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc cho các trạm thủy điện

bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi

báo cáo tổng kết chuyên đề

nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc cho các trạm thủy điện

thuộc đề tài kc 07.04:

“nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường”

Trang

I.1 Sù ®iÒu chØnh tua bin vµ sù ®iÌu chØnh tua bin vµ ph©n lo¹i m¸y ®iÒu

9

PhÇn II Nghiªn cøu, chÕ t¹o ®iÒu tèc ®iÒu chØnh lưu lưîng vµ ®iÒu tèc ®iÒu chØnh phô t¶i

II.2 Nghiªn cøu më réng bé ®iÒu khiÓn ®iÒu tèc lưu lưîng thµnh bé ®iÒu khiÓn ®a t¸c dông

19

II.4.7 Khèi ®iÒu khiÓn 27

II.7 X©y dùng qui tr×nh vËn hµnh, söa ch÷a, b¶o d−ìng 38

PhÇn III Nghiªn cøu bé ®iÒu tèc ®iÒu khiÓn phô t¶i 40

Đặt vấn đề

Cung cấp năng lượng điện là một trong những chỉ tiờu đỏnh giỏ mức độ phỏt triển của một vựng, cũng như của một đất nước Trong chớnh sỏch phỏt triển kinh tế - xó hội miền nỳi của Đảng và nhà nước, việc cung cấp điện được coi như là một trong cỏc biện phỏp hàng đầu Cú rất nhiều giải phỏp cấp điện, bao gồm phỏt triển lưới điện được nối với toàn quốc, phỏt triển lưới điện cục bộ tại địa phương, xõy dựng cỏc trạm phỏt điện, đặc biệt là cỏc trạm thuỷ điện vừa và nhỏ Nước ta ở trong vựng nhiệt đới giú mựa, với mạng lưới sụng suối dày đặc, cú trữ lượng thủy năng rất lớn Việc sử dụng nguồn năng lượng này phục vụ cho cỏc nhu cầu tăng lờn khụng ngừng của nền kinh tế, cú tỏc dụng về nhiều mặt, mang lại hiệu ớch kinh tế cao, phự hợp với chớnh sỏch về năng lượng của nhà nước

Đồng thời với việc sản xuất và phõn phối điện năng, phải chỳ trọng nõng cao về chất lượng của dũng điện Chỳng ta biết rằng: Chất lượng dũng điện được đỏnh giỏ chủ yếu qua cỏc đại lượng điện ỏp và tần số Vỡ vậy, người ta phải hết sức chỳ ý tới việc đảm bảo ổn định điện ỏp và tần số của mạng lưới cung cấp điện Mạng lưới điện bao gồm nhiều tổ mỏy phỏt điện cỏc loại vận hành song song để cung cấp điện năng cho nhu cầu của phụ tải, nờn cần cú sự phõn phối phụ tải hợp lý cho cỏc tổ mỏy tham gia hệ thống và chất lượng dũng điện của mạng lưới phụ thuộc chất lượng dũng điện của từng tổ mỏy riờng biệt; Đồng thời việc bảo đảm sự hoạt động an toàn của tổ mỏy sẽ gúp phần làm ổn định lưới điện

Trong một trạm phỏt điện núi chung, cũng như trong trạm thuỷ điện núi riờng, toàn bộ cỏc nhiệm vụ kể trờn được thực hiện bởi mỏy điều tốc Như vậy, vai trũ của mỏy điều tốc trong trạm phỏt điện là hết sức quan trọng, với ba chức năng sau:

- Ổn định tần số dũng điện phỏt ra với mọi chế độ phụ tải

- Đảm bảo chế độ hoạt động song song giữa cỏc tổ mỏy phỏt điện trong hệ thống - Đảm bảo dừng mỏy khẩn cấp khi xuất hiện cỏc sự cố

Cho đến nay, hầu hết cỏc thiết bị trong một trạm phỏt điện đều phải nhập từ nước ngoài Ngoài việc phải sử dụng ngoại tệ, việc nhập khẩu cỏc thiết bị từ nước ngoài làm

cho việc bảo hành, bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị gặp nhiều khó khăn Việc chủ động thiết kế và chế tạo các thiết bị trong trạm thủy điện nói chung và máy điều tốc nói riêng phù hợp với công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa của nền kinh tế nước nhà Đề tài đã được hình thành từ các yêu cầu của thực tế sản xuất

Bản báo cáo này, trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy điều tốc điều chỉnh lưu lượng, điều chỉnh phụ tải xử dụng vi xử lý Đây là một trong

những loại thiết bị điều tốc đã được nghiên cứu nhiều năm ở Trung tâm Nghiên cứu thủy điện nhỏ (Gọi tắt là Trung tâm thủy điện), Viện Khoa học thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

PhÇn 1 LÝ THUYÕT C¬ B¶N CñA THIÕT BÞ ®iÒu tèc

I.1 SỰ ĐIỀU CHỈNH TUA BIN VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC

I.1.1 SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU CHỈNH TUA BIN THUỶ LỰC:

Nguyên lý điều chỉnh của máy điều tốc dựa trên phương trình chuyển động quay của tổ máy thuỷ điện:

Mt − c =ω

(1)

Trong đó: Mt - Mô men do tua bin sinh ra

Mc - Mô men cản phụ thuộc vào phụ tải

J - Mô men quán tính của tổ máy (Tua bin + Máy phát)

ω - Vận tốc quay của tổ máy

Muốn duy trì vận tốc tổ máy không thay đổi (do đó tần số dòng điện không đổi), vế trái của phương trình bằng không (= 0) Do đó phương trình (1) trở thành:

- Điều chỉnh mô men trên trục tua bin Mt sao cho luôn cân bằng với mô men cản của phụ tải Mc Theo hướng này, ta có các loại điều tốc điều chỉnh lưu lượng vẫn

thường dùng trong các trạm thuỷ điện.

- Ngược lại, điều chỉnh tổng mô men cản của phụ tải Mc sao cho luôn cân bằng với mô men trên trục tua bin Mt Theo hướng này, ta có loại điều tốc điều chỉnh phụ giả

(Điều tốc tải giả)

I.1.1.1 Điều chỉnh mô men trên trục tua bin:

Mô men sinh ra trên trục tua bin liên hệ với công suất tua bin như sau:

Và ta đã biết, với cột nước làm việc H và lưu lượng Q, công suất của tua bin là: Ntb =γ .Q H

.Φ

Trong vùng làm việc nhất định của tua bin, trong một khoảng thời gian nhất định,

cột áp H không thay đổi, hệ số tổn thất Φ không thay đổi, tức là ta có thể coi H= Const, Φ=Const Do vậy, khi đó Mt chỉ còn phụ thuộc vào lưu lượng Q Để điều chỉnh

cho mô men trên trục tua bin Mt cân bằng với mô men cản của phụ tải Mc ta phải

điều chỉnh lưu lượng nước qua tua bin Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh của các máy điều tốc điều chỉnh lưu lượng truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất trong các trạm thuỷ điện

I.1.1.2 Điều chỉnh tổng mô men cản trên trục tua bin:

Trong các trạm thuỷ điện áp dụng loại điều tốc kiểu tải giả, lưu lượng Q qua tua bin

sẽ không thay đổi trong những khoảng thời gian nhất định; tức là tua bin sẽ luôn hoạt

động với một công suất Mt nhất định tương ứng với lưu lượng này (theo(5)) Do phụ tải tiêu thụ luôn thay đổi, tức là mô men Mc thay đổi, nên phải có một nguồn phụ tải

tiêu thụ bù vào sao cho đạt được tổng phụ tải của tua bin không thay đổi, do đó đạt được sự cân bằng theo (2) Phụ tải này thường là các điện trở thuần Nhiệm vụ của máy điều tốc kiểu tải giả là làm sao giữ cho tổng phụ tải của tua bin không thay đổi bằng cách đóng-ngắt các phụ tải bù nói trên Việc đóng ngắt này thường do mạch điện tử và các Thiritstor đảm nhận, cho nên loại máy điều tốc loại này rất gọn nhẹ, dễ sửa chữa, giá thành thấp

Tuy nhiên, chất lượng dòng điện trong trường hợp này không cao như trường hợp điều chỉnh lưu lượng Trong các trạm thủy điện công suất nhỏ hoạt động độc lập, yêu cầu về chất lượng dòng điện không cao (Dùng thắp sáng, đun nấu ), thì sử dụng loại điều tốc này mang lại hiệu quả kinh tế cao

I.1.2 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC TRONG TRẠM THUỶ ĐIỆN

I.1.2.1 Cấu tạo chung

Nói chung, các máy điều tốc có hai bộ phận chính như sau: (1) Bộ phận điều khiển:

Bộ phận điều khiển có thể coi như trung tâm xử lý tín hiệu của điều tốc về vòng quay của tổ máy, là bộ phận quan trọng và phức tạp nhất của máy điều tốc Trong bộ phận này có thể chia ra một số cụm với các chức năng sau:

- Cụm bộ phận cảm ứng: Làm nhiệm vụ nhận các tín hiệu vòng quay của tổ máy, so sánh sai lệch với giá trị đặt trước của vòng quay tổ máy để tạo ra tín hiệu điều chỉnh tương ứng tác động lên bộ phận xử lý

- Cụm bộ phận xử lý: Từ tín hiệu sai lệch tạo ra tín hiệu điều khiển cửa van tua bin (hoặc phụ tải)

- Bộ phận ổn định: Làm nhiệm vụ ổn định hệ thống điều chỉnh nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống được điều chỉnh, thông qua các tín hiệu phản hồi về vòng quay, gia tốc vòng quay

(2) Bộ phận chấp hành:

Làm nhiệm vụ điều chỉnh theo yêu cầu của máy điều tốc (Lưu lượng qua tua bin hoặc phụ tải của tổ máy)

I.1.2.2 Các loại điều tốc dùng cho trạm thuỷ điện

(3) Điều tốc điều chỉnh lưu lượng

Theo cấu tạo, kết cấu của các bộ phận chính của máy điều tốc, có thể chia ra cácloại điều tốc sau, mà tên gọi hàm ý kiểu cấu tạo của bộ phận điều khiển và bộ phận chấp hành:

(a) Điều tốc Cơ-Thuỷ lực

Đây là loại máy điều tốc ra đời từ rất lâu Bộ phận điều khiển là bộ phận cơ học, như: con lắc li tâm, con lắc thuỷ lực; bộ phận chấp hành là thuỷ lực (secvomotor thuỷ lực), các bộ phận khác đều là các cơ cấu cơ khí hoặc thuỷ lực

Ưu điểm :

- Có khả năng điều khiển các tua bin thuỷ điện có công suất cao - Tín hiệu điều chỉnh là liên tục

- Độ bền cao Nhược điểm:

- Hệ thống cứng nhắc khó thay đổi các hệ số điều khiển khi phải điều khiển các hệ có nhiều sự thay đổi lớn

- Độ trễ của thiết bị lớn - Độ sai lệch tĩnh lớn

Hiện nay ở các nước phát triển rất ít dùng loại này

(b) Điều tốc Điện -Thuỷ lực

Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ lực, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự

Ưu điểm:

- Gọn nhẹ, dễ dùng hơn bộ điều tốc Cơ - Thuỷ lực - Khả năng công nghiệp hoá cao

- Tín hiệu điều khiển liên tục

- Đảm bảo độ nhạy, độ chính xác điều khiển Nhược điểm:

- Hệ thống vẫn còn cứng nhắc, khả năng thay đổi các thông số phụ thuộc vào phần cứng

- Có sự trôi trượt các tham số do đặc điểm của các linh kiện analog

- Độ quá điều chỉnh còn lớn

- Để chế tạo một hệ điều khiển có nhiều tính năng thì rất phức tạp - Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao

(c) Điều tốc Điện tử số -Thuỷ lực

Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ lực, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số

Ưu điểm:

- Gọn nhẹ, dễ dùng thay đổi các thông số điều chỉnh

- Có khả năng tự truy tìm hằng số thời gian của tổ máy để cho ra tín hiệu điều chỉnh tương thích

- Độ chính xác cao, sai lệch tĩnh nhỏ - Độ quá điều chỉnh nhỏ

Nhược điểm:

- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao

(d) Điều tốc Điện tử -Điện

Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự Loại điều tốc này có chung các ưu nhược điểm như loại máy Điện -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành là điện, phù hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ

(e) Điều tốc Điện tử số - Điện

Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số Loại điều tốc này có chung các ưu nhược điểm như loại máy Điện tử số -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành là điện, phù hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ

(4) Điều tốc điều chỉnh phụ tải

Trong thời gian gần đây, bên cạnh các máy điều tốc kiểu truyền thống, đã xuất hiện và được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới loại máy điều tốc kiểu tải giả (Dummy Load, Electronic Load Control) Đối với các trạm thuỷ điện nhỏ, việc sử dụng máy điều tốc kiểu thứ nhất nói trên sẽ không kinh tế, vì nhiều lẽ mà trước hết là giá thành chế tạo, kết cấu phức tạp làm cho chi phí bảo dưỡng vận hành cao Hoặc tại các trạm thuỷ điện trên hệ thống tưới, nơi mà không thể tuỳ ý thay đổi lưu lượng qua tổ máy; hoặc tại các vị trí mà điều kiện về dòng chảy không bị hạn chế thì việc áp dụng máy điều tốc kiểu tải giả hoàn toàn là phương án kinh tế hơn

Đây là loại thiết bị thuộc thế hệ mới, nên hầu như các phần tử trong nó đều ứng dụng các thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học

c¬thñy lùc

AnalogDIGITAL§iÖn tö

thñy lùc

AnalogDIGITAL§iÖn tö

§iÖn®iÒu chØnh lưu lưîng

AnalogDIGITAL®iÒu chØnh phô t¶i

m¸y ®iÒu tèc

Hình 1 - Phân loại máy điều tốc

I.2 NHU CẦU TRÊN THỊ TRƯỜNG VỀ MÁY ĐIỀU TỐC

Như đã đề cập ở nhiều tài liệu, thủy điện nhỏ đóng vai trò rất quan trọng trong chiến lược về năng lượng của đất nước, phục vụ cho công cuộc phát triển dân sinh kinh tế, nhất là tại các vùng miền núi xa xôi Có thể thấy hai vấn đề trong lĩnh vực này:

Thứ nhất, đối với các trạm thủy điện nhỏ xây dựng mới, giá thành của máy điều tốc chiếm tỷ trọng tương đối lớn trong tổng giá trị các thiết bị (Ví dụ: Giá nhập khẩu máy TT150 (Trung Quốc) là 80 triệu đồng Việt Nam - 1998) Mặt khác, do cơ cấu tiêu chuẩn hóa thiết bị tua bin, một loại máy điều tốc được sử dụng trong một dải lớn về công suất của tua bin, nên đối với tổ máy công suất nhỏ, tỷ trọng giá thành của máy điều tốc càng lớn

Thứ hai, đối với các trạm đã xây dựng từ trước ở nước ta , các máy điều tốc trong các trạm thuỷ điện này chủ yếu là loại máy Cơ khí - Thuỷ lực; Sau một thời gian vận hành nhất định, hầu như đã bị hư hỏng mà không có phụ tùng thay thế Các chi tiết thuỷ lực tuy không lớn, nhưng đòi hỏi phải gia công rất chính xác và chất lượng vật liệu tốt Đa số các trạm thuỷ điện nhỏ này, do không có máy điều tốc hoặc do máy điều tốc đã bị hư hỏng phải vận hành bằng tay, nên chất lượng dòng điện không đảm bảo tiêu chuẩn hoà lưới quốc gia, mặt khác rất dễ hư hỏng tổ máy khi gặp sự cố

Theo điều tra đánh giá của chúng tôi thì nhu cầu chế tạo mới, sửa chữa thay thế thiết bị điều tốc cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã xây dựng là rất lớn Việc chủ động chế tạo được máy điều tốc trong nước sẽ mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội

I.3 XU HƯỚNG CHẾ TẠO CÁC LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC TRÊN THẾ GIỚI

Ngày nay trên thế giới, khoa học - kỹ thuật phát triển với tốc độ vô cùng nhanh chóng Khoảng cách giữa nghiên cứu và ứng dụng được rút ngắn rất nhiều so với các thập niên trước Các thành tựu mới của khoa học công nghệ luôn được ứng dụng vào thực tế, và qua thực tế quay lại hoàn thiện hơn Việc chế tạo thiết bị điều tốc (mà thực tế hiện nay, là thiết bị điều khiển nhiều tác dụng) đã ứng dụng rất nhiều thành tựu của khoa học về điều khiển tự động, của công nghệ điện tử tin học Nhìn chung, có thể đưa ra một số nhận xét sau:

1 Hầu như, việc ứng dụng vi xử lý, vi điều khiển đã trở thành phổ biến Ưu

- Số lượng các đầu vào ra lớn cùng các tính năng điều khiển được tích hợp trên linh kiện (on-chip), làm tăng khả năng xử lý nhiều tác dụng cùng lúc, bộ điều khiển trở thành đa tác dụng, không chỉ đơn thuần điều khiển 1 thông số nào đó;

- Khả năng truyền tin mang đến khả năng đo lường điều khiển từ xa, dễ dàng thiết lập mạng thông tin SCADA;

- Mềm dẻo trong thuật toán: Do các thuật toán điều khiển là phần mềm, việc thay thế, sửa chữa các thuật điều khiển, các thông số hoàn toàn là phần mềm, không phải sửa chữa hoặc thay thế phần cứng (Do đó mạch điện phần cứng cũng đơn giản hơn nhiều);

- Giá thành tương đối rẻ và dễ chế tạo trong nước: Do giá thành chế tạo các linh kiện điện tử giảm xuống nhanh chóng, do mức độ sử dụng rộng rãi, nên việc mua các linh kiện không quá khó khăn Mặt khác, trình độ về điện tử - tin học trong nước đã phát triển cao, nên có thể hoàn toàn làm chủ được việc viết phần mềm điều khiển Việc đầu tư sản xuất không lớn như các thiết bị cơ khí - thuỷ lực

2 Đối với các trạm thủy điện công suất lớn, việc đóng mở tua bin và các thiết bị cần phải có công suất lớn, nên cơ cấu chấp hành vẫn là thủy lực

3 Đối với trạm thủy điện nhỏ, sử dụng cơ cấu chấp hành là động cơ điện đã trở

nên phổ biến do kích thước gọn, cơ cấu đơn giản, giá thành chế tạo rẻ hơn nhiều so với cơ cấu thủy lực

4 Với các trạm thủy điện mini, sử dụng điều tốc tải giả làm đơn giản hẳn quá

trình điều khiển, độ bền thiết bị được tăng lên, do thiết bị làm việc ổn định ở một chế độ nhất định; giá thành thiết bị rẻ hơn nhiều so với điều chỉnh lưu lượng

I.4 CHẾ TẠO MÁY ĐIỀU TỐC Ở VIỆT NAM

Từ những năm 1980 trở lại đây, đã có một số cơ sở sản xuất và nghiên cứu ở Việt nam tiến hành thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ điện nhỏ, trong đó có máy điều tốc

Tại Công ty Cơ khí Hà Nội, từ năm 1982, đã tiến hành sản xuất một số loại máy điều tốc Các loại máy điều tốc này được thiết kế theo mẫu điều tốc của nước ngoài Đó là máy TT75 (mẫu Trung Quốc), TT1500 (mẫu Liên Xô) Trên cơ sở máy TT75, đã thiết kế cải tiến một số loại khác như TT100, TT150, TT200 Toàn bộ các máy điều tốc kể trên thuộc loại điều tốc Cơ - Thuỷ lực Nói chung các loại máy điều tốc Cơ - Thuỷ lực trên làm việc ổn định nhiều năm nay, nhưng do đặc tính của loại điều tốc này nên chất lượng diều chỉnh không cao; hơn nữa kết cấu của máy rất phức tạp, cồng kềnh do các truyền động cơ khí, một số chi tiết đòi hỏi phải đầu tư lớn vào dây chuyền công nghệ như lò xo lá con lắc ly tâm, các van phân phối thủy lực, bộ phận hoãn xung , nên giá thành máy cao Trên cơ sở máy TT1500, nhà máy đã cải tiến thành kiểu điều tốc Điện tử - Thuỷ lực, nhưng không thành công Do nhiều nguyên nhân khác nhau, Công ty đã không tiếp tục nghiên cứu sâu về thiết bị thủy điện cũng như máy điều tốc

Viện Nghiên cứu máy, Nhà máy sửa chữa thiết bị điện - Bộ Công nghiệp và Trường Đại học bách khoa Đà Nẵng đã sản xuất thử một số máy điều tốc Cơ - Thuỷ lực nhưng chất lượng rất thấp, dựa trên các thiết kế quá cũ và kích thước cồng kềnh, chỉ được

ứng dụng tài một vài trạm thủy điện nhỏ

Từ năm 1981 trở lại đây, Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã nghiên cứu và từng bước thử nghiệm sản xuất các loại máy điều tốc Điện tử - Thuỷ lực Một số công trình thuỷ điện lắp đặt máy điều tốc loại này cho thấy nếu có sự đầu tư thích đáng thì nước ta có thể chế tạo được điều tốc với chất lượng ngang hàng với máy của nước ngoài

Trong nhiều năm, Trung tâm thuỷ điện, Viện Nghiên cứu khoa học và kinh tế thuỷ lợi đã có nhiều nghiên cứu thành công trong lĩnh vực thuỷ điện nhỏ Bên cạnh việc nghiên cứu, sản xuất và lắp đặt các tua bin thuỷ lực ở nhiều địa phương trong cả nước, Trung tâm đã đầu tư rất nhiều vào việc nghiên cứu về máy điều tốc Trung tâm đã có sự kết hợp với nhiều đơn vị trong và ngoài nước để tiến hành nghiên cứu và sản xuất máy điều tốc Kết hợp với Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Trung tâm đã có những

nghiên cứu toàn diện về điều tốc Điện tử - Thuỷ lực, và đã thử nghiệm thành công tại một số trạm thuỷ điên ở các tỉnh phía Bắc và Tây Nguyên Gần đây nhất, kết hợp với Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Hãng TANAKA (Nhật Bản), Trung tâm đã nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm để sớm sản xuất loại các loại điều tốc Điện tử - Điện kiểu Tải giả và kiểu dùng secvomotor điện

PhÇn II Nghiªn cøu, chÕ t¹o ®iÌu tèc ®iÌu chØnh lưu lưîng vµ ®iÌu tèc ®iÌu chØnh phô t¶i

II.1 NGHIªN CỨU XỬ DỤNG CÁC BỘ VI XỬ LÝ (P, (C) THÔNG DỤNG VÀO VIỆC CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU TỐC

- Xu thế phát triển các thiết bị điện trên thế giới là ứng dụng các thành tựu mới trong lĩnh vực điện tử - viễn thông - tin học

- Mức độ phát triển và điều kiện của công nghiệp điện tử tin học trong nước cho phép thiết kế, chế tạo các thiết bị điện có tính năng tương đương với linh kiện nhập từ nước ngoài

- Các thiết bị kiểu mới có kích thước gọn hơn sẽ làm giảm khối lượng xây lắp; phần mềm điều khiển cho phép mềm dẻo trong vận hành, có thể nâng cấp, thay thế mà không cần đầu tư lại phần cứng thiết bị

- Giá thành chế tạo rẻ so với chế tạo thiết bị cơ điện và so với nhập ngoại

II.1.2 ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ 8051

Thuật ngữ Vi xử lý (Micro-Processor - µP) và Vi điều khiển (Micro-Controller - µC) không có sự khác biệt rõ rệt Trong trường hợp bộ vi xử lý không dùng vào mục đích tính toán mà chủ yếu là để điều khiển một quá trình nào đó, người ta thường gọi chúng là µC Theo cách hiểu này, µC là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung Trong bản báo cáo này, hai thuật ngữ được coi như tương đương

Lịch sử phát triển các bộ vi xử lý gắn liền với lịch sử phát triển của linh kiện bán dẫn, khởi đầu là sự phát minh ra tranzito ở các phòng thí nghiệm của công ty Bell Trong khoảng thời gian tiếp theo, là sự phát triển nhanh chóng của các bộ vi xử lý Sau đây là một số mốc quan trọng:

Năm 1958, Jack Kilby đã phát minh ra vi mạch tổ hợp đầu tiên, tại công ty Texas Instrumens (Mỹ) và đặt những viên gạch đầu tiên cho sự phát triển của các vi mạch logic họ 74xx

Năm 1960, ra đời máy tính đầu tiên được lắp ráp hoàn toàn bằng tranzito tại công ty IBM

Năm 1971, công ty Texas Instrumens sản xuất ra bộ vi xử lý 4 bit TMS 1000

Năm 1976, công ty Intelligent Electronics (INTEL - Mỹ) đã cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip 8 bit đầu tiên với tên gọi 8048 Các công ty khác cũng lần lượt cho ra đời các bộ điều khiển 8 bit tương tự với 8048 và hình thành họ vi điều khiển MSC-48 (Microcontroller System 48)

Năm 1980, INTEL sản xuất ra thế hệ thứ hai các bộ vi điều khiển đơn chip 8 bit với tên gọi 8051, và trở thành công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất các bộ vi xử lý Chỉ một thời gian ngắn, hàng loạt các thế hệ 8051 ra đời hình thành họ MCS-51

Đến nay, họ MSC-51 đã có trên 250 thành viên và được hầu hết các công ty bán dẫn hàng đầu thế giới chế tạo, sau INTEL phải kể đến AMD, Siemens, Philips, Dallas, OKI, v.v

Ngoài ra, phải kể đến các công ty có các họ vi điều khiển riêng, như: - Họ ST62 của công ty SGS - THOMSON

- Họ H8 của công ty HITACHI - Họ PIC của công ty Microchip - Họ 68HCxx của MOTOROLA

Trong số đó, họ 68HCxx của MOTOROLA cạnh tranh rất mạnh mẽ với họ 8051 trên thị trường thế giới

Đứng về mặt số lượng thì họ 8051 vẫn dẫn đầu trên thị trường các bộ vi điều khiển trên thế giới Một số số liệu sau cho thấy mức độ ứng dụng của chúng Theo số liệu 1995, các bộ vi xử lý 8 bit chiếm 67% thị phần các bộ vi xử lý (4, 8, 16 và 32 bit) Tổng doanh thu các bộ vi xử lý 8 bit là 5 tỷ USD với số lượng bán ra là 1,5 tỷ bộ (1995) Tăng trưởng hàng năm về số lượng cho đến năm 2000 là 30% Chỉ riêng hãng PHILIPS, mỗi ngày xuất xưởng 1 triệu bộ (năm 1998)

Rõ ràng là tương lai của thị trường vi xử lý đang mở rộng không ngừng Ngày nay, chúng có mặt trong rất nhiều thiết bị, trong nhiều lĩnh vực khác nhau Việc ứng dụng các bộ vi xử lý nói chung, họ MSC-51 nói riêng trong lĩnh vực các thiết bị đo lường điều khiển bảo vệ là phù hợp với xu hướng hiện nay trên thế giới

II.1.3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU THỦY ĐIỆN NHỎ - VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI

Tuy là một đơn vị trong ngành Thủy lợi, thuộc Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, nhưng trong hơn 10 năm qua, Trung tâm Nghiên thủy điện đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng vi xử lý trong các thiết bị đo lường - điều khiển trong trạm thủy điện Trung tâm có đội ngũ cán bộ có chuyên môn về lĩnh vực đo lường - điều khiển - tự động hóa, gồm 01 tiến sĩ, 05 kỹ sư Ngoài ra, Trung tâm đã được Nhà nước trang bị và tự trang bị nhiều thiết bị, trang bị chuyên dụng trong lĩnh vực này Bên cạnh đó, kết hợp với nhiều đơn vị trong và ngoài nước như Đại học Bách khoa Hà Nội, Công ty Xuất nhập khẩu công nghệ mới (Bộ Khoa học - Công nghệ - Môi trường), Trung tâm Thủy điện nhỏ Hàng Châu (Trung Quốc), Hãng TANAKA (Nhật Bản) Trung tâm đã đạt được những thành công nhất định trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị đo lường điều khiển trên cơ sở ứng dụng vi xử lý

Dưới đây là một số thiết bị điều khiển sử dụng vi xử lý họ 8051, được nghiên cứu thiết kế, chế tạo tại Trung tâm Nghiên cứu thủy điện nhỏ - Viện Khoa học thủy lợi trong thời gian qua (1995-2001)

Hình 2 - Thiết bị hòa điện bán tự động

Hình 3 - Thiết bị hòa điện bán tự động

Hình 4 - Thiết bị đổi nguồn tự động

Hình 5 - Thiết bị điều tốc tải giả

Hình 6 - Thiết bị đo lường tự động từ xa

II.1.4 THÔNG TIN TỪ NƯỚC NGOÀI

Theo các thông tin, tài liệu từ nước ngoài của các công ty, tổ chức về thủy điện nhỏ như: Hãng TANAKA (Nhật bản), Trung tâm khu vực Châu á - Thái bình dương về thủy điện nhỏ (Hàng Châu-Trung Quốc), SHP network Chúng tôi đã có các tài liệu về loại điều tốc điện tử điều chỉnh lưu lượng sử dụng vi xử lý Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhập một bộ thiết bị như vậy từ Trung Quốc để khảo sát Sau khi xem xét thiết bị trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường, chúng tôi đã có một số nhận xét sau:

- Thiết bị có kích thước gọn nhẹ, hoàn toàn phù hợp với các trạm thủy điện nhỏ và cực nhỏ về lắp đặt, sử dụng, bảo dưỡng thay thế;

- Thiết bị có nhiều chức năng (multi-function), không chỉ là máy điều tốc;

- Về cấu tạo, thiết bị của Trung Quốc sử dụng họ vi xử lý không còn thông dụng trong thời điểm hiện nay (Họ MSC-48);

- Về chất lượng linh kiện, các đơn vị trong nước hoàn toàn có thể làm đạt ngang bằng và tốt hơn, với giá thành rẻ hơn (tất nhiên, vẫn phải nhập linh kiện lẻ từ nước ngoài)

Hình 7 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Trung Quốc)

Hình 8 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Trung Quốc)

Hình 9 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Mỹ)

Hình 10 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Đức)

II.2 NGHIªN CỨU MỞ RỘNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC LƯU LƯỢNG THÀNH BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA TÁC DỤNG

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử - tin học, các bộ vi xử lý được tích hợp nhiều tính năng điều khiển trên cùng một vi mạch (On-chip) như: Timer, bộ thuật toán số học, các khối nhân/chia v.v , tốc độ xung nhịp của chúng được tăng lên đáng kể, các linh kiện ngoại vi cũng được phát triển rộng rãi, nên một bộ vi xử lý cho phép thực hiện “đồng thời” nhiều nhiệm vụ khác nhau do số lượng các đường vào ra lớn, tốc độ xử lý nhanh, kết hợp với sự phát triển về thuật toán điều khiển Việc sử dụng một bộ điều khiển để thực hiện đa chức năng có thể thấy ở mọi lĩnh vực, mọi ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống

Trong thực tế vận hành trạm thủy điện, ta thường gặp các vấn đề sau: • Điều tần: - Đảm bảo ổn định tần số của dòng điện phát ra

- Tham gia phân phối tải trong hệ thống

• Hòa điện, đưa tổ máy từ chế độ độc lập chuyển sang chạy trong hệ thống

• Điều khiển theo mức nước, để tổ máy luôn hoạt động trong vùng hiệu suất cao nhất, như vậy sử dụng nguồn năng lượng có hiệu quả nhất

• Bảo vệ tổ máy trong các trường hợp sự cố

Tham khảo cấu tạo của các thiết bị của nước ngoài, chúng tôi xác định các chức năng chính của thiết bị như sau:

• Là thiết bị điều tốc, với khả năng chạy độc lập cũng như trong lưới điện với 3 mức chính xác ứng với 3 qui mô lưới điện khác nhau (Lưới cấp quốc gia, lưới cấp vùng, lưới địa phương); Phần tử điều khiển là mạch vi xử lý, phần tử chấp hành là động cơ điện;

• Là thiết bị hòa điện tự động;

• Là thiết bị bảo vệ, có khả năng bảo vệ quá tốc độ, đóng máy khi có sự cố, điều khiển tổ máy theo mực nước;

• Có các đầu vào bao gồm các giá trị thiết lập chức năng hoạt động (function): Điều tần, Hòa, Điều khiển theo mức nước; Các giá trị thiết lập chế độ hoạt động (Mode): Lưới cấp 1,2,3; Các giá trị thiết lập liên quan tới quá trình đóng mở; Các đầu vào cấp năng lượng cho thiết bị; Các đầu vào đo giá trị tần số; Các đầu vào đo mức nước; Đầu vào của tín hiệu dừng máy khẩn cấp

• Có các đầu ra kiểu rơ le điều khiển tăng, giảm tốc độ, hòa, điều khiển đóng cắt; • Hiển thị giá trị tần số dòng điện, các tín hiệu theo dõi trạng thái làm việc, tín

hiệu cảnh báo

II.3 XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TUA BIN

II.3.1 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN

II.3.1.1Điều khiển theo tần số

Hình 11 - Sơ đồ khối điều khiển

Sơ đồ khối điều khiển như hình 11 Đây là sơ đồ hệ kín, điều khiển theo sai lệch, một sơ đồ điều khiển thông thường được áp dụng trong các loại máy điều tốc Do đây là hệ điều khiển secvo, nên thuật điều khiển được chọn là PD Theo kinh nghiệm và thực tế vận hành trạm thủy điện nhỏ và cực nhỏ, chúng tôi lựa chọn chế độ vận hành khi tổ máy tham gia trong hệ thống điện là chịu phụ tải cơ bản (phụ tải nền - base load) Chính vì vậy, ở loại điều tốc này, tổ máy không tham gia phân chia tải khi hệ thống có dao động tần số, điều này làm cho các tổ máy có công suất nhỏ và cực nhỏ vận hành ổn định, có thể hoạt động theo mực nước (water level control) và đơn giản về thiết bị (không có phản hồi công suất tổ máy)

Với chế độ vận hành lựa chọn, khi tham gia trong hệ thống điện, một dải tần số được lựa chọn bằng phần mềm là “dải chết” (Dead bank), giá trị phụ thuộc vào kiểu lưới:

- Loại 1, là lưới có yêu cầu chất lượng cao (lưới Quốc gia): 49 - 51 Hz

- Loại 2, là lưới có yêu cầu chất lượng thấp hơn (Lưới địa phương): 48 - 52 Hz - Loại 3, là loại lưới điện cục bộ, nhỏ, yêu cầu chất lượng điện thấp: 0 - 55 Hz Khi tần số lưới ra ngoài phạm vi này, thiết bị sẽ điều khiển tổ máy tự động cắt khỏi lưới điện

f2f1=50 Hz

TÇn sè

C«ng suÊtPmax

Hình 13 - Đặc tính điều chỉnh tua bin chịu tải cơ bản

II.3.1.2 Hòa điện

Thiết bị sẽ tự động điều khiển tổ máy theo giá trị tần số lưới điện sao cho khi chênh lệch tần số giữa hai nguồn điện nhỏ hơn 0,25 Hz, chênh lệch pha nhỏ hơn 200, sẽ phát lệnh điều khiển đóng rơ le hòa điện

II.3.1.3 Điều khiển theo mực nước

Tham gia trong hệ thống điện, rõ ràng tổ máy đạt hiệu ích cao nhất khi hoạt động trong vùng hiệu suất cao, sử dụng tốt nhất thế năng của dòng nước Điều khiển theo mực nước, thực chất là điều khiển hạn chế độ mở tua bin theo mức nước thượng lưu, sao cho lượng nước qua tua bin không lớn hơn mức tính toán nhằm giữ cột nước làm việc của tua bin nằm trong vùng vận hành có hiệu suất cao

II.3.1.4 Các chức năng bảo vệ

Bảo vệ quá tốc độ

- Tác động vào máy cắt chính - Đóng van tua bin

Bảo vệ khi có sự cố lưới - Tác động vào máy cắt chính

- Đưa tua bin về hoạt động không tải Bảo vệ khi có lệnh từ bên ngoài - Tác động vào máy cắt chính - Đóng van tua bin

II.3.2 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG

Cụ thể hóa sơ đồ điều khiển, ứng dụng vi xử lý, ta có sơ đồ khối như hình 14

Hình 14 - Sơ đồ khối chức năng

CPU - 89C52 hoạt động với tần số 12 MHz, như vậy xung nhịp vi xử lý là 1 MHz, mỗi chỉ thị lệnh sẽ thực hiện trong 1 - 2 µs, quá đủ để tiến hành các thao tác xử lý, tính toán và thực hiện “đồng thời” các chức năng khác nhau

Cổng P0 và các chân P2.0 đến P2.3 được dành cho khối hiển thị bao gồm 4 đèn LED 7 thanh

Cổng P1 sử dụng để đọc các công tắc số mã BCD (4 bits) cùng với các chân P3.6 và P3.7 điều khiển phân kênh đọc vào (MUX-DEMUX)

Các giá trị tần số được nhập vào tại chân P3.2 (lưới điện) và tại chân P3.3 (máy phát)

Các chân P3.0, P3.1, P3.4, P3.5, P2.4 đến P2.7 sử dụng để điều khiển 4 rơ le tăng tải, giảm tải, hòa điện và cắt điện

Toàn bộ các cổng vào ra đều được “treo” (pull-up) điện áp 5 V thông qua các điện trở 4,7 kΩ

Hình 15 - CPU và các giao tiếp chính

II.4.2 KHỐI HIỂN THỊ

Mạch hiển thị bao gồm 4 đèn LED 7 thanh và 6 đèn LED tròn thông thường (chia làm hai hàng)

Cac đèn LED 7 thanh hiển thị các giá trị sau:

- Tần số dòng điện của tổ máy phát điện (Khi chạy độc lập, hoặc trong lưới) - Chênh lệch tần số, khi đang tiến hành hòa điện

- Các thông báo về tình trạng (Hòa điện, Lỗi khi mất nguồn, trạng thái mực nước thượng lưu)

Sử dụng kỹ thuật “quét LED” để điều khiển hiển thị các đèn LED 7 thanh, tại một thời điểm chỉ có một đèn LED sáng Sử dụng kỹ thuật này, sẽ tiết kiệm được tối đa số chân của các cổng vào ra và phần nào năng lượng cho các đèn LED Mạch điều khiển LED như hình vẽ Chọn thời gian hiển thị nhanh (cỡ 5 ms), như vậy để hiển thị 4 đèn hết 20 ms, thỏa mãn qui luật “25 hình/s”, ta sẽ không nhận thấy sự nhấp nháy của các đèn LED

Các đèn LED tròn thể hiện tình trạng nguồn điện, các trạng thái của các rơ le Các đèn này được liên hệ trực tiếp với nguồn thông tin thể hiện, nên không phải lập trình hiển thị

Hình 16 - Điều khiển hiển thị LED 7 thanh

II.4.3 KHỐI ĐO LƯỜNG TẦN SỐ

Việc đo tần số và độ lệch pha được tiến hành bằng phần mềm, vì vậy mạch phần cứng chỉ là mạch biến đổi tín hiệu hình sin thành tín hiệu xung vuông cùng tần số, và được nối với chân P3.2 và P3.3 Sử dụng chức năng thứ 2 của chân này (Ngắt ngoài INT0 và INT1), nhờ sự biến đổi sườn xuống của tín hiệu xung tại chân tương ứng, sẽ kích hoạt ngắt IE0 hoặc IE1để thực hiện sự tính toán tần số cũng như góc lệch pha giữa 2 nguồn tín hiệu

Mạch điện thực hiện chức năng biến đổi dạng tín hiệu như hình 17, mạch điện này đảm bảo xác định chính xác điểm “0” của tín hiệu hình sin, quan trọng khi tính toán thời điểm hoà điện

Hình 17 - Mạch biến đổi tín hiệu tần số

II.4.4 KHỐI BÁO HIỆU MỰC NƯỚC

Để xác định mức nước (được phân ra 3 khoảng giá trị: Cao, trung bình và thấp), sử dụng 3 điện cực ( 1 để cấp nguồn, 2 để xác định mức giới hạn mức cao và thấp) sẽ xác định được trạng thái mực nước thượng lưu (bể áp lực) Ba trạng thái này được mã hóa bằng 2 bit tín hiệu Các tín hiệu được cách ly quang học với khối vi xử lý để bảo vệ trong các trường hợp sự cố Mạch điện cách ly như hình 18

Hình 18 - Mạch cách ly quang

II.4.5 TÍN HIỆU ĐÓNG MÁY SỰ CỐ TỪ BÊN NGOÀI

Thiết bị có 01 đường nhận tín hiệu đóng máy sự cố từ các thiết bị đo lường khác bên ngoài gửi tới Tín hiệu có điện áp trong khoảng từ 5 V - 12 V, và cũng được cách ly quang như các đường đo mực nước

II.4.6 CÁC CÔNG TẮC THIẾT LẬP GIÁ TRỊ VẬN HÀNH

Công tắc xác định chế độ hoạt động gồm có 6 vị trí: 3 chế độ tương ứng với 3 loại lưới điện X 2 chế độ (chạy độc lập và chạy trong lưới điện) Công tắc này được mã hóa 6 vị trí bằng 4 bit tín hiệu

Công tắc xác định chức năng hoạt động gồm có 3 vị trí: Chạy bình thường, Hòa điện và Chạy trong chế độ lên quan đến khống chế mực nước Ba chức năng này được mã hóa bằng 2 bit tín hiệu

Có 3 công tắc xác định tốc độ tăng tải, tốc độ giảm tải, trị số Interval khi chạy trong chế độ khống chế mực nước Các công tắc này là các công tắc số, có thể thiết lập các giá trị từ 0 đến 9 Các công tắc này được mã hóa bằng 4 bit tín hiệu

Toàn bộ các giá trị của các công tắc trên được phân ra 3 kênh 8 bit, được điều khiển dồn kênh (MUX-DEMUX), để đọc vào CPU qua cổng P1

Hình 19 - Mạch đọc các giá trị công tắc

II.4.7 KHỐI ĐIỀU KHIỂN

Các tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra) được thiết kế kiểu rơ le, giúp cho người sử dụng lựa chọn giá trị điện áp ra điều khiển phù hợp với thiết bị của từng trường hợp Mỗi một đường ra rơ le sẽ do 2 chân (2 bit) có giá trị nghịch đảo quyết định Thiết kế này nhằm đảm bảo tin cậy khi điều khiển, chống nhiễu cao

Hình 20 - Điều khiển ra rơ le

II.4.8 KHỐI CẤP NGUỒN

Khối nguồn có nhiệm vụ cấp nguồn (5 V) cho thiết bị, cho các rơ le trung gian và mạch đo mực nước (12 V)

Hình 21 - Khối nguồn

II.5 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

II.5.1 LỰA CHỌN NGÔN NGỮ

Có một vài ngôn ngữ lập trình cho họ 8051, như: C51, ASM51, BASIC51 Sử dụng ngôn ngữ nào cũng đạt được mục đích như nhau, tùy thuộc vào khả năng của người lập trình Chúng tôi lựa chọn ngôn ngữ Assembler, với bộ biên dịch Macro-Assember 51 của Intel Corp Theo chúng tôi, có một số ưu điểm sau:

- Trình biên dịch miễn phí được tải từ nhiều địa chỉ trên Internet.(Hoặc dường như là miễn phí)

- Ngôn ngữ ASM cho phép người lập trình khả năng uyển chuyển trong bố trí chương trình; Có thể tính toán chính xác về thời gian thực hiện lệnh trong các thuật toán; Chương trình ngắn gọn nhất

- Có nhiều các bài toán mẫu có thể sử dụng được

II.5.2 SƠ ĐỒ KHỐI TÍNH TOÁN CHÍNH

Phần mềm gồm có một số modul quan trọng sau: - Đọc các giá trị đặt đầu vào

- Đọc các thông số đo lường về tần số - Tính toán thông số điều khiển, PID, PWM - Điều khiển hiển thị

- Điều khiển thiết bị, bao gồm hoà điện, điều tần, khống chế mực nước

Trong các modul trên, quan trọng nhất là modul tính toán thông số điều khiển và modul điều khiển thiết bị

II.5.2.1 Lưu đồ thuật toán toàn bộ chương trình

Thuật toán điều khiển chương trình thực hiện “quét vòng” các bước chương trình Đây là kỹ thuật điều khiển thông dụng khi xử dụng vi xử lý Việc hiển thị các thông số bằng đèn LED sẽ do đoạn chương trình ngắt Timer đảm nhiệm, theo kỹ thuật “quét LED”.( Xem hình 22) Chương trình cụ thể xem phụ lục 1

Hình 22 - Lưu đồ thuật toán toàn bộ chương trình

II.5.2.2 Đo tần số và tính toán giá trị điều khiển

Tần số của một đại lượng tuần hoàn là số chu kỳ tín hiệu trong khoảng thời gian 1 giây Ta có thể đo được tần số của tín hiệu theo 2 cách sau đây:

- Đếm số chu kỳ của tín hiệu cần đo trong một thời gian xác định (đếm tần số) - Đếm số chu kỳ của một tín hiệu chuẩn đã biết trong 1 chu kỳ tín hiệu cần đo (đo chu kỳ)

(5) Nguyên lý đo chu kỳ

Để đo được chu kỳ của một tín hiệu ta cần có một tín hiệu chuẩn mà chu kỳ đã biết và ta sẽ đếm số chu kỳ này trong 1 hoặc vài chu kỳ của tín hiệu cần đo

Giả sử bộ đếm đếm được n xung chuẩn, chu kỳ cần đo là Tx = 2n.T

Trường hợp đếm trong m chu kỳ tín hiệu cần đo, thì Tx = (2n/m).T

Nếu sai số cho phép của tần số là εcp, thì ∆f ≤ εcp , suy ra

=, ta có:

Vậy, giá trị của tần số chuẩn là:

f 2±ε.

Ví dụ: Giá trị cần đo fx xoay quanh 50 Hz, εcp = 2%, tần số chuẩn là:

Chọn tần số chuẩn f = 250 KHz Số đếm đúng khi đo giá trị fx = 50 Hz là: )

Giả sử bộ đếm đếm được n xung , chu kỳ cần đo là Tx = T/2n

Ví dụ: Vẫn sử dụng ví dụ ở phương pháp đo chu kỳ.(fx = 50 Hz, εcp = 2%) )

≥

Chọn T = 2,5 s, sai số tương đối là:

(7) Đánh giá và lựa chọn phương pháp

- Phương pháp đo chu kỳ thích hợp khi đo các tần số tương đối nhỏ hơn so với tần số chuẩn Nếu tần số cần đo lớn, để đảm bảo sai số tương đối cho phép, ta phải chia tần số xung muốn đo, vì thế lại gặp sai số do chia tần số

- Phương pháp đếm tần số tiện lợi hơn khi đo các tín hiệu có tần số lớn Nếu tần số cần đo lớn, để đảm bảo sai số cho phép, chu kỳ chuẩn T phải lớn, tức là thời gian để đọc được kết quả sẽ lâu hơn

Khi sử dụng cấu trúc Counter/Timer trong các bộ vi xử lý, đều có thể thực hiện được cả 2 phương pháp trên; Đối với dải tần số dòng điện công nghiệp (0 - 60 Hz), lựa chọn phương pháp thứ nhất sẽ cho kết quả chính xác và thời gian đo lường ngắn (là yếu tố rất quan trọng trong điều khiển)

II.5.2.3 Đo độ lệch pha giữa 2 nguồn điện

Để so sánh pha của tín hiệu, cụ thể là pha của hai điện áp, thông thường người ta sử dụng phương pháp tách điểm “0” Mạch tách điểm “0” thông thường là mạch so sánh với điện áp “0” vôn, mạch này có nhiệm vụ thay đổi điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào biến đổi qua giá trị “0” Trong trường hợp này, mạch điện đo tần số kiêm luôn việc tách điểm “0” Theo hình 23, điểm “0” được phát hiện bằng “cạnh” của xung ngõ ra Với cách tách điểm “0” như vậy, việc so pha 2 tín hiệu được thay bằng việc tính khoảng thời gian ∆S giữa 2 điểm “0”

Hình 23 - Xác định độ lệch pha 2 tín hiệu

II.5.2.4 Tính toán giá trị điều khiển ra PD

Thiết bị là một hệ thống điều khiển số (Digital control system), có sơ đồ như hình 24, 25 dưới đây

Hình 24 - Sơ đồ điều khiển Sơ đồ tính toán:

Hình 25 - Sơ đồ tính toán thực tế Trong đó bộ điều khiển PD có hàm truyền:

Chuyển qua miền tần số:

Để khắc phục trở ngại này, bộ điều khiển được thiết kế với bộ thông số PD cố định như trên, việc điều chỉnh được thực hiện bởi các giá trị đóng, mở thông qua các công tắc số

Mỗi một trạng thái của tổ máy sẽ phù hợp với một bộ giá trị của các công tắc thiết lập tốc độ đóng mở Các công tắc này sẽ cho giá trị tính toán độ rộng xung điều khiển (Thời gian đóng rơ le điều khiển), do đó thay đổi đáp ứng của hệ được điều khiển phù hợp với bộ thông số PD cố định

Quan hệ tương đối giữa các giá trị từ 0 đến 9 của các thông số với độ rộng xung như hình vẽ dưới

Hình 26 - Quan hệ tốc độ đóng mở tua bin

II.5.2.6 Điều khiển hoà điện

Điều khiển hoà điện nói chung cũng giống như điều khiển tần số Điều khác biệt là: - Sau khi RESET thiết bị, chương trình tự động chạy điều khiển hoà điện, hiển thị chênh lệch tần số giữa 2 nguồn điện, điều khiển tổ máy đạt đến tần số của lưới điện, nhưng không ra lệnh đóng rơ le hoà điện Chỉ khi người sử dụng đặt công tắc chức năng sang vị trí hoà điện, thiết bị mới đóng rơ le hoà điện

- Thiết bị không chỉ điều khiển tần số tổ máy, mà còn kiểm soát sự biến động tần số của lưới điện, xác định không có lệnh đóng máy khẩn cấp từ ngoài, mới ra lệnh đóng rơ le hoà, để đảm bảo an toàn khi hoà điện

- Sau khi đã hoà điện, thiết bị sẽ hiển thị giá trị tần số lưới điện và chuyển sang chế độ chạy trong lưới: Kiểm tra tần số trong “dải chết” đã qui định đối với mỗi loại lưới điện Nếu tần số lưới vượt ra ngoài dải tần số này, lập tức ra lệnh cắt khỏi lưới điện, quay trở lại chế độ điều tần để đưa tổ máy về chế độ chạy không tải hoặc chế độ phụ tải tại chỗ

II.5.2.7 Điều khiển khống chế mực nước

Trong chế độ này, thiết bị sẽ điều khiển tổ máy chạy ở chế độ trong lưới điện Điều khác biệt ở chế độ này là:

- Tuỳ theo giá trị đã thiết lập của công tắc số, thiết bị sẽ kiểm tra mực nước thượng lưu nhà máy, nếu như mực nước thấp hơn mực nước “thấp” qui định, thì cứ sau 1 khoảng thời gian nhất định, thiết bị sẽ phát ra 1 xung đóng (giảm) bớt công suất tổ máy; Nếu mực nước cao hơn mức “cao” qui định, thì quá trình sẽ ngược lại, tăng công

suất tổ máy; Nếu mực nước nằm trong 2 mức qui định thì không có tác động nào Cơ chế này sẽ duy trì mực nước thượng lưu nằm trong vùng mà tổ máy hoạt động ở vùng hiệu suất tối ưu nhất

- Quan hệ tương đối giữa các giá trị từ 0 đến 9 của các thông số với thời gian định kỳ kể trên (Interval time) như hình vẽ dưới ( Với giá trị “0”, cứ sau nửa phút lại có một lần thay đổi công suất tổ máy, giá trị 1 đến 9 tương ứng với thời gian 1 đến 9 phút)

Hình 27 - Quan hệ Time Interval

II.6 CHẾ TẠO HOÀN CHỈNH BỘ ĐIỀU TỐC

Trên cơ sở mạch nguyên lý, nhóm đề tài đã thiết kế chế tạo hoàn chỉnh thiết bị điều khiển và ứng dụng điều khiển tua bin xung kích 2 lần, công suất 30 kW

Hình 28 - Sản phẩm đã hoàn thiện