Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc diesel để ổn định tần số máy phát điện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL

1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diezen

1.3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc diesel để ổn định tần số máy phát điện

Từ hình vẽ 1.4 : ta xây dựng được sơ đồ khối của hệ truyền động trong bộ điều tốc diesel như hình vẽ:

Hình 1-6:Sơ đồ khối hệ truyền động trong bộ điều tốc thuỷ điện

Ri, Rω, Rφ: Các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí nó có nhiệm vụ tổng hợp và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn các lượng phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh vị trí Rφ, tốc độ Rω và bộ điều khiển dòng điện Ri thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động.

Uϕ¿,Uϕ : Điện áp ứng với vị trí cho trước và phản hồi vị trí.

Un¿,Un : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và phản hồi tốc độ quay

Ui¿,Ui : Điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện.

Bộ nguồn: Cung cấp nguồn cho động cơ CBVT: Bộ cảm biến vị trí

1.3.3.2 Các hệ thống truyền động được ứng dụng trong hệ ổn định tốc độ Diesel A. Hệ thống điều khiển vector biến tần động cơ không đồng bộ 3 pha

VandÉ n

Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ toạ độ tự theo từ thông rotor

Hình 1-7: Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor(r,q) Từ kết quả quy đổi các đại lượng điện của động cơ không động bộ ba pha từ hệ toạ độ cố định trên Stato (α, β) về hệ toạ độ cố định trên Rotor(d, q) ta có.

(1+T2p)ψ2d – ωsT2ψ2q – Lm.i1d=0

ωsT2ψ2d+(1+T2p)ψ2q - Lm.i1q=0 (1-17) Nếu ta giữ cho biên độ từ thông rotor ψ2 không đổi và vector không gian ψ2

trùng với trục 0x thì ta có :ψ2q = 0,ψ2d = ψ2 =const

Từ biểu thức (1-17) ta xác định được các thành phần của vector dòng điện stator :

i1d=ψ2d Lm =

const (1- 18)

i1q=T2ωs

Lm ψ2d=T2ωsi1d

(1- 19)

Mômen điện từ khi đó là

M = Krψ2di1q =KrTωsLmi21d (vì ψ2d=Lm.i1d) (1-20) Ngược lại khi ta điều chỉnh vector dòng điện stator theo đúng quy luật (1-20) thì vector từ thông ψ2 luôn trùng với trục 0d và có biên độ không thay đổi.

Các thành phần của vector dòng điện rotor là :

i2d=1

L2(ψ2d−Lii1d)=0 i2q=1

L2(ψ2q−Lii1q)=−kri1q

(1- 21)

Như vậy khi định hướng vector từ thông rotor trùng với trục 0d với biên độ không đổi thì ta rút ra được các đặc điểm quan trọng là :

- Vector dòng điện rotor luôn vuông góc với vector từ thông rotor - Thành phần i1d có giá trị không đổi, đóng vai trò là dòng điện từ hoá.

- Các thành phần i1q, i2q và mômen M tỷ lệ với nhau và tỷ lệ với tốc độ trượt ωs. Trong công thức (1-21) ta có thể xác định giá trị i1d theo các thông số định mức của động cơ như sau :

1 . .2 . . . .2 .

dm dm

d

r sdm m r dm dm m

M M

i  k T  L  k T  s L (1-22) Trong đó:

Mđm : là mômen định mức ωđm : là tốc độ định mức (rad/s)

ωsđm : là tốc độ trượt định mức (rad/s) sđm : là độ trượt định mức

Nếu coi từ thông rotor của động cơ không đồng bộ lúc không tải bằng từ thông định mức, thì vector dòng điện stator được xác định như sau :

i1d=√3/2.I0m=√3I0

i1q=√3T2.I0.ωs (1-23) Trong đó:

I0m : là biên độ dòng điện không tải

I0 : là giá trị hiệu dụng của dòng điện không tải

√ 3/ 2 là hệ số quy đổi từ 3 pha về 2 pha

Trên cơ sở phân tích trên ta xây dựng được sơ đồ điều khiển cho động cơ không đồng bộ như hình 1-8. Trong hệ thống này thực hiện điều chỉnh vector dòng điện stator

theo luật (1-18) nhờ đó mà định hướng được vector từ thông rotor trong hệ toạ độ tựa theo từ thông(d,q). Các đại lượng điều chỉnh được quy đổi từ hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) sang hệ 3 pha (a,b,c) để đưa vào điều khiển bộ nghịch lưu. Tín hiệu phản hồi dòng điện được quy đổi từ hệ 3 pha về hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).

Các ma trận quy đổi có tham số phụ thuộc vào góc quay θ1 và được xác định theo công thức

θ1=θ+θs=θ+∫

0 t

ωs.dt=θ+kr∫

0 t

i1q.dt

(1-24)

Với Ks=ωs i1q= 1

T2.i1d

Hình 1-8:Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần

Từ phương trình (1-17), (1-18) ta nhận thấy: Nếu trong quá trình làm việc giữ từ thông rotor không đổi ψ2d=const có nghĩa là giữ nguyên dòng điện I1d= const, lúc này ta điều chỉnh dòng I1q để tiến hành điều chỉnh mômen (cách điều chỉnh này giống như điều chỉnh động cơ điện một chiều) với hai mạch vòng, để điều chỉnh I1q thì sẽ điều chỉnh được lượng vào của mạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh mômen của động cơ. Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tốc độ đặt của động cơ. Vậy thay đổi tần số của bộ biến tần có thể thay đổi tốc độ của động cơ.

B. Hệ thống thyristor - động cơ

Ngày nay việc ứng dụng hệ thống truyền động điện một chiều T – Đ với mạch vòng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng được sử dụng phổ biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn.

Cấu trúc hệ thống điều khiển T – Đ với hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng điện.

Hình 1-9: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều thyristor - động cơ

VF, VR: Hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song ngược. Bằng cách điều khiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các chế độ dừng, quay thuận, quay ngược của động cơ….

RI, Rω: Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ nó có nhiệm vụ tổng hợp và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn các đại lượng phản hồi, lượng đặt các thống số của bộ điều chỉnh tốc độ Rω và bộ điều chỉnh dòng điện RI

thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động.

GVF, GVR: Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lưu có điều khiển VF, VR.

Un: Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và điện áp phản hồi tốc độ quay.

Ui: Điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện.

Để tổng hợp hai tín hiệu phản hồi là âm tốc độ quay và âm dòng điện tác dụng riêng rẽ, trong hệ thống dùng hai bộ điều chỉnh, một dung cho tốc độ quay và một

dùng cho dòng điện, mà giữa chúng dùng cách ghép nối tiếp. Điều này có nghĩa là, lấy đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay làm đầu vào cho bộ điều chỉnh dòng điện, sau đó đầu ra của bộ điều khiển dòng điện đi khống chế thiết bị phát xung điều khiển của hai bộ chỉnh lưu bán dẫn dùng Thyristor.

Từ quan điểm cấu trúc mạch vòng kín, khâu điều chỉnh dòng điện nằm ở trong gọi là mạch vòng trong, khâu điều chỉnh tốc độ ở ngoài gọi là mạch vòng ngoài. Như vậy hình thành hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vòng kín tốc độ quay và dòng điện. Kết quả của vấn đề thiết kế hệ thống là độ ổn định và đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng động như: Độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh, số lần dao động….

* ) Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh.

Để phân tích đường đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín ta dựa vào sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định, như hình 1-10.

Đường đặc tính tĩnh trạng thái ổn định thường có hai trạng thái: Bão hoà (đầu ra đạt tới giá trị biên) và không bão hoà (đầu ra không đạt tới giá trị biên). bộ điều chỉnh bão hoà, đầu ra chưa phải là hằng số, sự biến đổi của lượng đầu vào ảnh hưởng trở lại đầu ra, trừ khi tín hiệu đầu vào ngược chiều là cho bộ điều chỉnh mất bão hoà, nói cách khác bộ điều chỉnh bão hoà tạm thời tách khỏi mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra, tương đương với việc làm cho khâu điều chỉnh tách khỏi mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra, tương đương với việc làm cho khâu điều chỉnh tách ra thành vòng hở. Trên thực tế, khi làm việc bình thường, bộ điều chỉnh dòng điện không bao giờ bị bão hoà.

Vì vậy, đối với đường đặc tính mà nói, chỉ có hai vùng ứng với hai trường hợp là bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hoà và không bão hoà.

Id

ucđ

Kb

1 Ce

- RdId n

uđk Eb

EĐ uvđ -

Rd R

-

RI

Uc® Id

Rd Tms

- Ic n

Eb - E§

-

-

Un Ui

W (s)R

RI

W (s) Kb

 s 1 e d 1/ R

T s 1 e

1 C

Hình 1-10: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín.

**) Chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín a. Mô hình toán học trạng thái động

Dựa vào sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T – Đ dùng hai mạch vòng kín là âm tốc độ quay và âm dòng điện (hình 1-10) ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ điều khiển hai mạch vòng kĩn, như hình 1-11.

Hình 1-11: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín

Trong hình vẽ WRω và WRI lần lượt được biểu thị hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện. Trong sơ đồ cấu trúc trạng thái động của động cơ điện cần phải rõ dòng điện mạch roto Id.

b. Phân tích quá trình khởi động

t n

0

t Id

0

Idmax n*

t1 Ic

I II III

Hình 1-12: Đồ thị tốc độ quay và dòng điện của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ

Mục đích quan trọng của việc điều khiển hai mạch vòng kín chính là để nhận đ- ược quá trình khởi động gần với lý tưởng, vì vậy khi phân tích chất lượng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng, trước tiên phải hiểu rõ quá trình khởi động của nó. Để khảo sát hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng ta giả thiết: Khi động cơ đang đứng yên đột ngột đặt vào đầu vào điện áp ucđ=conts để khởi động, quá trình quá độ của dòng điện và tốc độ quay được thể hiện trên hình 1-12. Bởi vì trong quá trình khởi động bộ điều chỉnh R trải qua ba giai đoạn:không bão hoà, bão hoà, thôi bão hoà, trên hình vẽ được đánh dấu bằng các đường I, II,và III.

Giai đoạn đầu, đoạn 0 t1, là giai đoạn điện áp tăng lên. Sau khi tác động điện áp đặt ucđ dạng nhảy cấp, thông qua tác động điều khiển của hai bộ điều chỉnh làm cho uđk, Eb (hay Ud), Id đều tăng lên, khi Id > Ic động cơ điện bắt đầu tăng tốc. Do quán tính cơ của động cơ, quá trình tăng của tốc độ động cơ không thể đột biến, cho nên chênh lệch điện áp đầu vào uv = ucđ - un của bộ điều chỉnh tốc độ quay R là khá lớn, đầu ra của nó nhanh chóng đạt tới giá trị biên (bão hòa), dòng điện Id cũng được cưỡng bức tăng lên nhanh chóng.

t2 t3 t4

Khi Id  Idmax thì , tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện làm cho Id không thể tiếp tục tăng mạnh, chứng tỏ quá trình này đang kết thúc. Trong giai đoạn này, R từ chưa bão hoà đã nhanh chóng đạt đến bão hoà, còn RI thường không bão hoà để đảm bảo cho tác dụng điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.

Ở giai đoạn II, từ t1 đến t2, dòng điện không đổi, tốc độ tăng. Bắt đầu từ lúc dòng điện đạt tới giá trị lớn nhất đến khi tốc độ quay đạt tới trị số cho trước n¿ , thì dòng điện không đổi, tốc độ tăng là giai đoạn chủ yếu trong quá trình khởi động.

Trong giai đoạn này WRω luôn bị bão hoà, mạch vòng tốc độ tương đương với trạng thái vòng hở, lúc này nó là hệ thống điều chỉnh dòng điện dưới tác dụng của trị số dòng điện không đổi tương ứng với Uim cho trước, về cơ bản giữ cho dòng điện Id là không đổi (dòng điện có thể là quá điều khiển, cũng có thể là không phải là quá điều khiển và phụ thuộc vào kết cấu và tham số của bộ điều chỉnh mạch vòng dòng điện), vì vậy gia tốc hệ thống truyền dẫn là không đổi. Đồng thời sức điện động ngược E cũng tăng lên theo tuyến tính. Đối với hệ thống điều chỉnh dòng điện mà nói, sức điện động này là một lượng nhiễu tăng dần theo tuyến tính (hình), để khắc phục nhiễu này, Ud0 và Ucl cũng phải cơ bản tăng theo tuyến tính, mới có thể duy trì Id không đổi. Bởi vì WRI

là bộ điều khiển dòng điện PI, muốn cho lượng đầu ra của nó tăng theo tuyến tính, độ chênh điện áp đầu vào của nó ΔU=Ucd-Un buộc phải giữ ở trị số nhất định, cũng có thể nói, Id phải nhỏ hơn chút ít cho Idma. Ngoài ra cần phải chỉ ra rằng, để duy trì tác dụng của loại điều chỉnh này đối với mạch điện, trong quá trình khởi động, bộ điều chỉnh dòng điện không thể bão hoà, đồng thời giá trị điện áp lớn nhất Udom cũng phải để lại lượng dư, nghĩa là thiết bị Thyristor cũng không bão hoà.

Giai đoạn III: sau thời điểm t2 là giai đoạn điều chỉnh tốc độ quay. ở giai đoạn này, tốc độ quay đã đạt đến trị số cho trước, đại lượng cho trước (tín hiệu đặt hay điện áp chủ đạo) và điện áp phản hồi của bộ điều chỉnh cân bằng nhau, chênh lệch điện áp đầu vào bằng 0, nhưng đầu ra do tác dụng của khâu tích phân vẫn duy trì trị số biên, cho nên động cơ với dòng điện cực đại vẫn tăng tốc, làm cho tốc độ quay vượt quá giá trị đặt (quá điều chỉnh). Sau khi tốc độ quay vượt quá giá trị đặt, ở đầu ra của R xuất

hiện chênh lệch điện áp âm, làm cho nó thoát khỏi trạng thái bão hoà, điện áp đầu ra của nó (cũng là điện áp cho trước Ui¿

của RI) cũng lập tức từ giá trị biên (bão hòa) giảm xuống, dòng điện mạch chính Id cũng theo đó mà giảm xuống. Nhưng vì Id vẫn lớn hơn dòng điện phụ tải Ic trong một khoảng thời gian nên tốc độ quay vẫn tiếp tục tăng. Đến lúc Id = Ic, mô men động cơ M cân bằng mô men cản Mc (M = Mc), thì dn/

dt = 0, tốc độ quay n đạt tới giá trị cực đại (tại thời điểm t = t3). Tiếp sau, dưới tác dụng của mô men phụ tải, động cơ điện bắt đầu giảm tốc, tương ứng với nó, xuất hiện một giai đoạn ngắn dòng điện Id nhỏ hơn Ic cho tới khi ổn định (giả thiết các tham số bộ điều chỉnh được điều chỉnh tốt). Trong giai đoạn điều chỉnh cuối cùng, R và RI đều không bão hoà và tác động đồng thời. Bởi vì mạch vòng điều chỉnh tốc độ quay là vòng ngoài, R đóng vai trò chủ đạo, còn tác dụng của RI là đảm bảo sao cho Id nhanh chóng bám lượng đầu ra ui* của R.

c. Tính năng và tác dụng của hai bộ điều chỉnh ở trạng thái động

Nói chung, hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng có tính năng trạng thái động khá tốt.

- Tính năng bám trạng thái động

Như trên đã phân tích, hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng trong quá trình khởi động và tăng tốc, trong điều kiện bị giới hạn về năng lực quá tải, đã cho thấy độ tác động nhanh của chế độ động tốt, bám sát đặc tính yêu cầu. Trong quá trình giảm tốc, vì đặc tính dòng điện động cơ không đảo chiều nên khả năng bám kém, bị sai lệch; đối với mạch vòng dòng điện, khi thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có tính năng bám tốt.

- Tính năng chống nhiễu trạng thái động 1) Chống nhiễu phụ tải

Từ sơ đồ cấu trúc trạng thái động hình 1-12 có thể thấy, nhiễu phụ tải tác động phía sau mạch vòng dòng điện, chỉ có thể dùng bộ điều chỉnh tốc độ quay để thực hiện

chống nhiễu. Vì vậy, lúc đột ngột tăng tải (hoặc giảm tải), tất nhiên sẽ dẫn tới trạng thái giảm (hoặc tăng) tốc độ. Để giảm lượng sụt (hoặc lượng tăng) tốc độ ở trạng thái ổn định, khi thiết kế R cần phải yêu cầu hệ thống có chỉ tiêu chất lượng chống nhiễu tốt. Đối với việc thiết kế RI mà nói, chỉ cần mạch vòng dòng điện có chất lượng bám tốt là được.

2)Chống nhiễu điện áp mạng điện (lưới)

Do nhiễu của điện áp mạng bị bao bọc bởi mạch vòng dòng điện, lúc điện áp dao động, có thể thông qua phản hồi dòng điện để được điều chỉnh kịp thời, không cần phải chờ sau khi có phản hồi tốc độ tác động hệ thống mới có phản ứng. Vì vậy trong hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín, lượng sụt tốc độ ở trạng thái động của hệ thống giảm đi nhiều so với hệ thống một mạch vòng.

- . Tác dụng của hai bộ điều chỉnh

Tổng hợp các phân tích trên, tác dụng của bộ điều chỉnh tốc độ quay và bộ điều chỉnh dòng điện trong hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vòng kín đợc quy về mấy điểm sau đây:

+ Tác dụng của bộ điều chỉnh tốc độ quay

 Làm cho tốc độ quay n bám sự thay đổi cho trước Ucd, không có sai số tĩnh ở trạng thái động.

 Có tác dụng chống nhiễu với sự thay đổi của phụ tải

 Trị số biên ở đầu ra của nó quyết định dòng điện lớn cho phép + Tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện

 Chống nhiễu kịp thời khi khởi động khi có sự dao động điện áp lưới.

 Bảo đảm nhận được dòng điện lớn nhất cho phép khi khởi động.

 Trong quá trình điều chỉnh tốc độ quay, làm cho dòng điện bám sự thay đổi điện áp cho trước Ucd.

 Lúc động cơ bị quá tải thậm trí bị kẹt, hạn chế được dòng điện lớn nhất của phần ứng, nhờ đó làm được chức năng bảo vệ an toàn khi khởi động nhanh. Nếu sự cố được loại bỏ thì hệ thống tự động khôi phục làm việc bình thường.