Đây là hệ thống kích từ dùng kết hợp máy phát điện đồng bộ xoay chiều và hệ thống chỉnh lưu. Máy phát điện đồng bộ có phần cảm là phần tĩnh,phần ứng là phần quay kết hợp với bộ chỉnh lưu quay lắp đặt ngay trên trục. Do đó, dòng điện kích thích sẽ đi trực tiếp từ phần ứng của máy kích từ, qua bộ chỉnh lưu vào thẳng rôto mà không qua mối tiếp xúc bất kỳ của vành góp và chổi than nào. Do đó, hệ thống này được gọi là hệ thống kích thích không chổi than.
Hình 3.3.Hệ thống kích từ xoay chiều (AC Exciter)
Từ hình 3.3 ta thấy hệ thống kích từ này sử dụng một máy phát điện xoay chiều ba pha quay cùng trục với máy phát điện chính làm nguồn cung cấp cho cuộn kích từ máy phát điện đồng bộ chính. Máy phát điện xoay chiều cho kích từ có kết cấu đặc biệt.
Cuộn kích từ đặt ở cuộn dây ba pha đặt ở rôto.Dòng điện xoay chiều ba pha tạo ra từ máy kích thích được chỉnh lưu thành dòng một chiều nhờ bộ chỉnh lưu công suất lớn, gắn trên trục rôto của máy phát. Nhờ vậy, cuộn dây kích từ của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
máy phát điện chính Wf nhận ngay được dòng một chiều mà không cần vành trượt và chổi điện. Để cung cấp nguồn cho cuộn dây kích từ của máy phát kích thích, làm thay đổi dòng kích từ tương ứng với mục đích điều chỉnh.
*Ưu điểm:
Nâng cao được công suất chế tạo của máy phát điện vì không có chổi than và vành trượt
Hằng số thời gian kích từ Te khá nhỏ từ khoảng từ (0,1 – 0,15) giây. Điện áp kích thích giới hạn Ufgh tương đối lớn so với kích từ một chiều.
* Nhược điểm:
Chế tạo phức tạp, giá thành cao
c.Hệ thống kích từ tĩnh: (Static Exciter)
Đây là hệ thống kích từ không có phần quay (kích từ tĩnh) sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển để cấp nguồn cho cuộn dây kích từ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Với mục đích giảm nhỏ hằng số thời gian kích từ Te là một yêu cầu kỹ thuật quan trọng, xuất phát từ các bài toán ổn định và chất lượng điện năng.
Hằng số thời gian Te được xác định là hằng số thời gian tương đương của tất cả các khâu từ tín hiệu ra của bộ AVR đến điện áp kích từ Uf của máy phát đồng bộ và thường khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích thích. Vậy nếu tác động của AVR trực tiếp vào điện áp kích thích Uf thì hằng số thời gian Te sẽ giảm đi rất nhiều. Vấn đề này đã được giải quyết khi xuất hiện các loại hình chỉnh lưu điều khiển công suất lớn (sử dụng Thyristor). Trong mạch chỉnh lưu có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của điện áp của điện áp trên chỉnh lưu, còn đòi hỏi một tín hiệu (dòng điện) xuất hiện trên cực điều khiển thì bộ chỉnh lưu mới cho phép dẫn dòng qua. Thường người ta áp dụng chỉnh lưu ba pha có điều khiển trong các hệ thống kích từ. Tốc độ điều chỉnh của hệ thống này nhanh, có thể coi như tác động tức thời vào điện áp kích từ. Hằng số thời gian chỉ còn khoảng Te = ( 0,02 – 0,04) giây.
Đánh giá về hệ thống kích từ tĩnh:
*Ưu điểm:
Hằng số thời gian Te nhỏ do đó khả năng đáp ứng của hệ thống rất nhanh tạo điều kiện để áp dụng công nghệ điều khiển số.
Cấu trúc mạch kích từ đơn giản, dễ điều khiển, chất lượng ổn định Công nghệ bán dẫn phát triển cho phép chế tạo các bộ chỉnh lưu dùng Valve bán
dẫn với công suất và giá thành hạ.
Do ưu điểm của hệ thống kích từ loại này chúng được áp dụng rộng rãi trong các máy phát công suất trung bình và lớn có yêu cầu về chất lượng điều chỉnh.
* Nhược điểm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.2.2. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tự động AVR
Hệ thống điều khiển kích từ thường bao gồm mạch cuộn kích từ thường nằm ở rôto máy phát. Bộ biến đổi năng lượng cung cấp nguồn điện một chiều cho cuộn kích từ có thể là máy phát một chiều, máy phát điện xoay chiều kết hợp với chỉnh lưu Diode hay là một bộ chỉnh lưu có điều khiển. Để điều khiển các bộ biến đổi này thường là bộ điều chỉnh tự động điện áp AVR nó có tác dụng điều chỉnh và ổn định điện áp thông qua điều chỉnh dòng kích từ của máy phát. Từ đó ta có sơ đồ khối của hệ thống điều khiển kích từ như sau:
l imit er RUk t o el u el us If V/f P,Q s et po in d Uref PSS PQ us Is meas u r e w If Is abc us abc ex 3~ 3~
Hình 3.5.Sơ đồ khối kích từ AVR
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Mô hình của bộ AVR trong thực tế
Đây là mô hình khá đầy đủ của bộ AVR dùng cho hệ thống kích từ tĩnh được dùng rộng rãi trong thực tế. Với các giới hạn thiếu kích thích và quá kích thích. Có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng khi phân phối công suất giữa các tổ máy. Có bổ sung tính năng ổn định hệ thống công suất PSS, tuy nhiên đây là sơ đồ nguyên lý có thể chưa đầy đủ các chi tiết. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.6. Mô hình AVR trong thực tế
Như vậy, khi thiết kế bộ AVR cần phải giải quyết được một số vấn đề như:
- Điều chỉnh dòng kích từ để duy trì điện áp ra của máy phát ổn định trong điều khiển làm việc bình thường và khi thay đổi tải.
- Gia cường kích từ trong trường hợp xảy ra ngắn mạch để phục hồi điện áp và loại trừ sự cố.
- Đảm bảo các giới hạn về quá nhiệt roto và stato của máy phát cũng như giới hạn ổn định của máy phát trong trường hợp thiếu kích thích và quá kích thích.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Đảm bảo về giới hạn tần số và điện áp trong quá trình khởi động và dừng máy (khi tấn số nhỏ hơn tần số định mức)
- Có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng để phân phối công suất phản kháng giữa các tổ máy.
Để giải quyết được các vấn đề nêu trên ta tập trung phân tích cụ thể các sơ đồ khối của bộ AVR
a. Thuyết minh sơ đồ khối của bộ AVR
Ta thấy trong bộ điều chỉnh chính AVR gồm các khối sau:
* Khối điều khiển: Đây là khối tổng hợp các tín hiệu đặt phản hồi và các tín
hiệu giới hạn. Tín hiệu điện áp đặt được lấy từ bộ đặt điện áp (D-AVR) được so sánh với tín hiệu phản hồi (Us) và được giới hạn bằng các tín hiệu giới hạn thiếu kích thích (UEL) và quá kích thích (OEL) sau đó được đưa qua bộ điều khiển là một bộ PI tín hiệu ra của bộ điều khiển được hạn chế để cấp cho bộ điều khiển cầu chỉnh lưu cấp điện cho mạch kích từ.
* Khối tính toán: Khối này nhận tín hiệu dòng điện (Is_ abc),điện áp (U_ abc) phía đầu cực của máy phát, dòng điện kích từ và tốc độ quay đồng bộ của rôto. Sau đó chuyển các tín hiệu này sang hệ đơn vị tuơng đối với hệ trục dq rồi tính toán các giá trị hiệu dụng Us, Is và tính toán giá trị công suất tác dụng(P), công suất phản kháng (Q) để cung cấp cho các tín hiệu này phục vụ cho việc tính toán các giá trị giới hạn và các giá trị đặt.
* Khối giới hạn:Đây là khối chức năng khá quan trọng của bộ AVR nhằm
đảm bảo các điều kiện làm việc an toàn của máy phát. Trong khối này sẽ tính toán các giá trị giới hạn sau: Giới hạn tần số điện áp, Giới hạn thiếu kích thích, Giới hạn quá kích thích thông qua các thông số đầu vào là dòng điện vào của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
mạch kích từ, dòng điện tải phía máy phá, công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp phía đầu cực máy phát.
* Khối tạo điện áp đặt: Khối này có nhiệm vụ tạo ra điện áp đặt để cấp cho
mạch điều khiển thông qua giá trị đặt được thay đổi bởi người vận hành, có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng để phân phối giữa các tổ máy khi làm
việc song song trong hệ thống điện tạo ra giá trị đặt phu hợp khởi động hay khi chế độ điều khiển bằng tay sang chế độ tự động. Đồng thời phối hợp tần số điện
áp khi tốc độ quay của máy phát nhỏ hơn tốc độ đồng bộ.
b.Thiết kế khối điều khiển chính (Controler) * Sơ đồ bộ điều khiển * Sơ đồ bộ điều khiển
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển
Trong đó:
- Tín hiệu điện áp đặt Uref được tạo ra bởi khối đặt điện áp (SETPOIN) - Tín hiệu điện áp đầu cực máy phát Us được lấy về từ khối tính toán (CALCULATE)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Tín hiệu giới hạn UOEL và UUEL được lấy từ khối giới hạn (LIMITER) - Tín hiệu ra Vf được cấp cho mạch kích từ của máy phát
- Các khối LV GATE và HV GATE là các khối lựa chọn giá trị thấp và giá trị cao của tín hiệu và để đưa ở đầu ra.
- Bộ điều chỉnh là bộ điều khiển PI (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Khâu Follow up FCR là khâu có tác dụng lấy giá trị đặt của dòng điện kích từ tại thòi điểm chuyển đổi từ chế độ điều khiển tự động sang điều khiển bằng tay giúp chình quá trình chuyển đổi chế độ làm việc từ từ không gây biến động mạnh.
* Mô hình bộ biến đổi bộ chỉnh lưu
Chúng ta biết rằng trong hệ thống kích từ tĩnh để cung cấp điện áp một chiều cho cuộn kích từ. Ta thường sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu cầu ba pha để biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều cung cấp cho mạch kích từ. Trong mô hình mô phỏng này để đơn giản ta coi gần đúng bộ chỉnh lưu 3 pha và mạch điều khiển chỉnh lưu là một khâu quán tính có hằng số thời gian:
Tc = Tc1 +Tdk = 4*10-3s Hàm truyền bộ chỉnh lưu: WCL = 1 10 * 4 1 1 1 3 p p Tc (3.1) * Bộ điều khiển chính PI
Tín hiệu điện áp đặt được so sánh với với điện áp đầu cực máy phát cho tín hiệu sai lệch điện áp. Tín hiệu này được so sánh với tín hiệu giới hạn thiếu kích thích và quá kích thích rồi được đưa vào bộ điều chỉnh chính là bộ PI. Trong đó thành phần tỷ lệ P khuyếch đại tín hiệu sai lệch điện áp. Còn thành phần tích
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
phân I tích phân sai lệch hai tín hiệu này được phối hợp với nhau tạo thành tín hiệu điện áp đặt cho bộ điều chỉnh mạch chỉnh lưu cấp cho cuộn kích từ.
Hình3.8: Sơ đồ bộ điều khiển PI
Hàm truyền bộ PI: P Ki PI s K s (3.2) Trong đó:
- Thành phần tỉ lệ P khuyếch đại tín hiệu sai lệch điện áp tuy nhiên nếu chỉ dùng thành phần P thì sẽ có sai lệch tĩnh.
- Thành phần tích phân I sẽ lấy tích phân sai lệch theo thời gian để tránh tác động nhầm khi dao động và khử sai lệch tĩnh
Kết hợp hai thành phần trên ta có bộ điều chỉnh PI
Việc tính chọn các tham số Kp, KI có thể có phương pháp khác nhau. Trong phần này sẽ tính chọn phương pháp Ziegler Nichols 1. Tuy nhiên do không có hàm truyền cụ thể của đối tượng nên việc chọn các tham số Kp, KI chỉ tương đối gần đúng và có thể được hiệu chỉnh và thay đổi trong mô hình trong quá trình mô phỏng.
Tiến hành chọn tham số theo phương pháp Ziegler Nichols 1 + Cho tác động tín hiệu vào là xung step
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Xác định tín hiệu ra có dạng gần với khâu quán tính bậc 1 có trễ
( ) . 1 s DT K e W s Ts (3.3)
+ Xác định các tham số T và bằng cách kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn
Hình 3.9: Đặc tính xác định tham số PI theo tiêu chuẩn Ziegler nichol 1
- Tính toán các tham số của bộ PI theo công thức: Kp= 0,9T/(K) (3.4) TI = 10/3->KI =3/(10) (3.5) - Các tham số thực nghiệm K =1, T = 6s, = 0,2s - Từ đó ta tính được Kp = 0.9*6/0.2 = 27 KI = 3/(10*0.2) = 1.5
Tuy nhiên trong quá trình mô phỏng cần hiệu chỉnh để có đáp ứng ra ổn định và đạt được các đặc tính mong muốn.
* Khâu lựa chọn giá trị cao và thấp
- Lựa chọn giá trị thấp (LV Gate): Khâu này có tác dụng so sánh hai giá trị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khâu LV Gate
- Lựa chọn giá trị cao (HV Gate): Khâu này có tác dụng so sánh hai giá trị đầu vào và đưa ra đầu ra giá trị lớn nhất.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khâu HV Gate
* Khâu Follow up
Khâu này có tác dụng lấy giá trị đặt của dòng kích thích tại thời điểm chuyển chế độ tự động sang chế độ điều khiển bằng tay và ngược lại. Khi có tín hiệu chuyển chế độ thì khâu này sẽ chốt giá trị tại thời điểm đó giúp cho việc điều chỉnh không bị nhảy cấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khâu Follow up
Khâu này hoạt động như sau:
- Khi tín hiệu AVR/ FCR chuyển trạng thái (1- >0) tương ứng với việc chuyển chế độ điều khiển AVR sang FCR khi đó giá trị IF_AVR sẽ được chốt và cung cấp cho khâu Follow up FCR hoạt động.
- Khi tín hiệu AVR/ FCR chuyển trạng thái (0- >1) tương ứng với việc chuyển chế độ điều khiển FCR sang AVR khi đó giá trị IF_ FCR sẽ được chốt và cung cấp cho khâu Follow up AVR hoạt động.
Các tham số KFM = 1, KFA =1 các tham số này dùng để hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu AVR và FCR. Các khâu giới hạn nhằm hạn chế tránh tác động nhầm khi có nhiễu hoặc xung đỉnh quá cao.
c.Thiết kế khối chuyển đổi và tính toán (Caculate) * Sơ đồ khối tính toán
Khối tính toán này có tác dụng nhận các giá trị dòng điện kích từ If dòng điện Stator Is-abc, điện áp stator Us-abc và tốc độ đồng bộ m từ khối đo lường về sau đó chuyển các đại lượng đó sang hệ trục tương đối dq tính toán các giá trị dòng điện It, điện áp Ut phía stator, tần số f, công suất phản kháng Qt, công suất tác dụng Pt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
để cung cấp cho các khối giới hạn, khối đặt điện áp và khối điều khiển. Sau đây là thiết kế chi tiết các khối chức năng của khối tính toán tham số điều khiển.
* Khâu tính toán sin - cos
Khâu này có tác dụng tính toán các giá trị sin và cos (t) để phục vụ cho việc chuyển đổi từ hệ trục 3 pha sang hệ trục tương đối d,q trong đó giá trị được lấy tích phân từ tín hiệu d sau đó nhân thêm với hệ thống thời gian thực tạo thành tín hiệu t. Tín hiệu t này được đưa qua khối Mod để lấy phần dư của t khi chia cho 2*pi để tránh tràn số liệu
* Khâu chuyển đổi điện áp dòng điện abc2dq
Khâu này có tác dụng chuyển đổi các giá trị điện áp trong hệ trục ba pha sang