CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN
2.4. Mơ hình bộ điều tốc
2.4.3. Bộ điều tốc của các Turbine thủy lực
Chức năng cơ bản của một bộ điều tốc là điều chỉnh tốc độ. Nguyên tắc chung của việc điều chỉnh tần số sẽ được trình bày trong chương 3. Ở đây ta sẽ nói về những yêu cầu đặc biệt của việc điều khiển các turbine thủy lực, sự thể hiện vật lý của chúng và việc mơ hình hóa trong các nghiên cứu về hệ thống.
Chức năng điều khiển chính về tốc độ liên quan đến sự phản hồi sai khác tốc độ để điều chỉnh vị trí cửa van. Nhằm mục đích đảm bảo sự hài hịa và hoạt động song song ổn định của nhiều bộ phận, bộ điều chỉnh tốc độ được sử dụng với một đặc tính “dốc”. Mục đích của độ dốc đó là để đảm bảo sự phân chia đồng đều phụ tải giữa các tổ máy phát. Thông thường, độ dốc ở chế độ xác lập được thiết lập vào khoảng 5%. Với 5% sai lệch tốc độ đó, nó sẽ gây ra 100% thay đổi về vị trí cửa van hay cơng suất đầu ra ; nó tương ứng với một hệ số khuếch đại là 20. Tuy nhiên đối với một turbine thủy lực, bộ điều chỉnh với đặc tính xác lập dốc đơn giản là khơng đủ. Điều này được mình họa trong ví dụ dưới đây.
Một sơ đồ khối đơn giản biểu diễn sự điều chỉnh tốc độ của một bộ máy phát turbine thủy lực cung cấp cho một phụ tải độc lập được biểu diễn trên hình 2.16. Turbine được biểu diễn bằng mơ hình thơng dụng và bộ điều chỉnh tốc độ có hệ số khuếch đại KG = 1/R. Máy phát được biểu diễn dựa trên sự kết hợp của thành phần quán tính cả máy phát và turbine.
Nếu TW = 2,0 s, TM = 10,0 s và KD = 0,0, xác định (i) Giá trị thấp nhất của độ dốc R để sự điều chỉnh tốc độ là ổn định, và (ii) Giá trị của R để sự tác động điều chỉnh tốc độ là tắt dần giới hạn.
Turbine Tốc độ
tham chiếu
Hình 2.16 :Sơ đồ khối máy phát turbine thủy lực cung cấp cho phụ tải độc lập
Phương trình đặc tính (dạng 1 + GH = 0) của hệ thống vịng kín là :
hay là :
10 Rs 2 + (10 R − 2 )s + 1 = 0
Để ổn định, các điểm cực của phương trình đặc tính phải nằm ở bên bờ trái
của mặt phẳng phức s. Trong trường hợp bậc II, điều kiện cần và đủ là tất cả hệ số đều dương. Do đó :
10R > 0, do vậy, R>0 và
10R – 2 > 0, do vậy, R> 0,2
Do đó giá trị nhở nhất của R mang lại đáp ứng ổn định là 0,2 hoặc là 20%. Nói cách khác, hệ số điều chỉnh tốc độ KG cần phải nhỏ hơn 5. Với độ dốc chuẩn lớn hơn 5% (hay độ khuếch đại 20), sự điều chỉnh tốc độ trở nên không ổn định.
Đối với trường hợp tắt dần giới hạn : (10R - 2)2 – 4(10R) = 0
Giải ra thu được :
R1 = 0,746
với R1 = 0,746 tương ứng với sự tắt dần giới hạn (độ tắt dần ζ = 1) và đáp ứng ổn định. R2 = 0,0536 là nhỏ hơn giá trị giới hạn 0,2; nó tương ứng với ζ = -1,0 và biểu diễn sự hoạt động khơng ổn định. Do đó, R = 0,746 hay độ khuếch đại KG = 1,34 là yêu cầu cho sự tắt dần giới hạn.
Do vậy đặc tính dốc đơn giản là khơng đủ cho bộ điều khiển các turbine thủy lực.
Xét một sơ đồ đơn giản hóa của một hệ điều khiển cơ khí – thủy lực như trên hình 2.17
Hàm truyền của relay van điều tiết và servomotor cửa là :
g
=
K1
(2.36)
a s
Hàm truyền của van dẫn hướng và servo dẫn hướng là :
a = K 2 b 1 + sT P 27
Hình 2.17: Sơ đồ một hệ thống điều khiển cơ khí-thủy lực của turbine thủy lực.
Chú thích :
• Transient Droop Adjuster : Bộ điều chỉnh độ chúc quá độ. • Needle Valve : Van kim.
• Fast/Slow : Nhanh/Chậm.
• Compensating Dashpot : Bộ bù giảm chấn. • Flyballs : Quả văng.
• Speeder Rod : Trục quay. • Pilot Servo : Servo dẫn hướng. • Speed Droop : Độ dốc vận tốc. • Speed Adjustment : Cơ cấu điều tốc. • Pilot Valve : Van dẫn hướng.
• Relay Valve : Van Relay.
• Gate Servomotor : Cửa Servomotor
Trong biểu thức 2.38 thì K2 được xác định bằng mức độ tỷ lệ hồi tiếp cịn TP
bằng mặt cắt lỗ thơng của van dẫn hướng và K2. Kết hợp cả phương trình 2.38 và 2.39 ta thu được :
g
=
K1K
b s (1 + sT
trong đó Ks là độ khuếch đại servo và TP là hằng số thời gian van dẫn hướng/servomotor. Độ khuếch đại servo Ks được xác định từ mức độ tỷ lệ hồi tiếp van dẫn hướng.
Giả thiết rằng chất lỏng từ bộ giảm chấn chảy qua van kim là tỷ lệ với áp lực của bộ giảm chấn thì hàm truyền của bộ giảm chấn là :
d
= RT
sTR
g 1+ sT
R
Độ dốc tạm thời RT được xác định từ mức độ tỷ lệ, và thời gian tái lập (hay khử) TR được xác định từ thiết lập của van kim.
Nước khơng phải là chất lỏng có thể nén được; nếu cửa van bị đóng q nhanh thì sẽ gây ra áp suất lớn có thể dẫn đến phá vỡ đường ống áp lực. Do đó tốc độ dịch chuyển của cửa van cần được giới hạn ở một mức độ nhất định. Thơng thường thì tốc độ chuyển dịch của cửa van được giới hạn ở vùng đệm gần điểm đóng hồn tồn để tạo ra sự giảm chấn.
Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống điều khiển phù hợp cho công tác nghiên cứu điều khiển ổn định được biểu diễn như trong hình 2.18. Sơ đồ này kết hợp với sơ đồ trong hình 2.16 để tạo nên một mơ hình hồn chỉnh của turbine thủy lực và hệ thống điều chỉnh tốc độ.
Tham số
TP = Hằng số thời gian của van điều khiểu và Servomotor
Ks = Hệ số khuếch đại Servo
TG = Hằng số thời gian của Servo chính
RP = Độ dốc vĩnh cửu
RT = Độ dốc tạm thời
TR = Thời gian reset
29
Valve và Servomotor dẫn hướng Rmax mở Vị trí cửa max = 1 Tốc độ tham chiếu Rmax đóng
Hình 2.18: Mơ hình của bộ điều khiển của các turbine thủy lực.
Điều kiện ràng buộc :
Giới hạn vị trí cực đại cửa van = 1,0 Giới hạn vị trí cực tiểu cửa van = 0
Rmax mở = Mức độ đóng cửa van cực đại 0,16pu/s
Rmax đóng = Mức độ đóng cửa van cực đại 0,16 pu/s
Rmax buff = Tốc độ đóng cửa van cực đại ở vùng đệm 0,04pu/s
gbuff = Vùng đệm tương đối so với hành trình của Servomotor 0,08 pu
Mơ hình bộ điều khiển biểu diễn trên hình 2.18 có dự trữ cho việc biểu diễn ảnh hưởng của dải chết. Tuy nhiên việc xác định biên độ và vị trí của nó thường gặp nhiều khó khăn, do vậy nên ảnh hưởng này thường không được biểu diễn lên mơ hình trong các nghiên cứu hệ thống.
Như vậy bộ điều tốc của máy phát thủy lực yêu cầu bù độ dốc quá độ nhằm đạt được đặc tính điều khiển tốc độ ổn định. Sơ đồ khối máy phát turbine thủy lực được cho trên hình 2.19.
Bù độ dốc quá độ Phụ tải tham chiếu Bộ điều tốc Các giá trị điển hình: Rotor/Phụ tải
Hình 2.19: Sơ đồ khối của Turbine thủy lực.