.Thiết kế khối điều khiển chính (Controler)

* 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

- 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

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

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 hệ vuông góc d,q theo phép biến đổi Park

 

0

2 2 2

sin sin sin

3 3 3

2 2 2

cos cos cos

3 3 3 1 3 d A B C q A B C A B C U U U U U U U U U U U U                                                      (3.6)

Tương tự ta có phép biển đổi đối với dòng điện stator

2 2 2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

sin sin sin

3 3 3 d A B C I I  I   I                  2 2 2

cos cos cos

3 3 3 q A B C I  I  I   I               ( 3.7)   0 1 3 A B C I  I I I

Sau khi đã tính được Udq, Idq ta sẽ tính được: 2 2

t d q

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

It  Id2Iq2 (3.9)

* Khâu tính toán công suất phản kháng, công suất tác dụng

Sau khi đã chuyển từ hệ trục ba pha sang hệ trục vuông góc d,q thì việc tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng được tính theo công thức sau: P = UdId + UqIq

Q = UqId – UdIq

d.Thiết kế khối giới hạn (Limiter) * Vai trò của các giới hạn * Vai trò của các giới hạn

Trong quá trình hoạt động của máy phát để duy trì hoạt động bình thường của máy phát trong các điều kiện làm việc khác nhau thì các tham số hoạt động của máy phát như điện áp, dòng điện rotor, stator, công suất phản kháng, công suất tác dụng, phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo cho máy phát không bị quá nhiệt có thể hoạt động đồng bộ trong thời gian dài.

Các giới hạn của máy phát được thể hiện trong biểu đồ giới hạn sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó: - AB giới hạn quá nhiệt mạch kích từ - BC giới hạn quá nhiệt mạch stator

- CD giới hạn quá nhiệt lõi thép (giới hạn PQ) Ngoài ra, có thể phân thành:

- Giới hạn thiếu kích thích: DC - Giới hạn quá kích thích ABC

Việc đưa ra các giới hạn trên có thể được giải thích như sau: Công suất phát ra của máy phát là:

S = UI* = P + jQ (3.10) S2 = (UI)2 = P2 + Q2 (3.11)

Ta có công suất biểu kiến lớn nhất của máy phát là không đổi do đó dòng điện stator bị giới hạn bởi đường công suất biểu kiến của máy phát tương ứng với đường đặc tính BC của đường đặc tính giới hạn.

Bây giờ ta xem xét giới hạn dòng kích từ khi máy phát công suất phản kháng vào lưới. Khi đó dòng kích từ tăng nhưng bị hạn chế bởi đường cong công suất. Giả thiết bỏ qua điện trở của mạch stator ta có phương trình công suất :

* * 0 s E U I jX             (3.12) * * 0 0 s E U S P jQ UI U jX                  * cos 0 sin 0 s E U jE U jX         = 2 sin cos s s E UE U j X X     

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2 2 2 s s UE U P Q const X X               

Phương trình trên biểu diễn một đường tròn có tâm nằm trên trục Q, tọa độ U2/Xs và có bán kính là: UE/Xs. Vùng làm việc an toàn cho máy phát nằm phía trong của đường tròn thứ hai này. Đường tròn này cắt ngang cung tròn giới hạn stator điều đó có nghĩa là trong quá trình điều khiển máy phát về phía quá kích thích cần chú ý giảm tải để bảo vệ rotor.

Đường đặc tính giới hạn thiếu kích thích UEL được đưa ra để hạn chế sự phát nóng của lõi thép khi điện áp kích thích quá thấp máy phát nhận quá nhiều công suất phản kháng gây nên sự mất ổn định trong chế độ hoạt động của máy phát. Bên cạnh đó khi tốc độ quay của máy phát giảm trong quá trình khởi động hoặc lúc dừng máy. Để tránh cho máy phát và máy biến áp không bị rơi vào tình trạng quá từ thông do tần số sụt giảm cần đưa ra giới hạn tần số điện áp V/f limiter. Để giải quyết các giới hạn trên khối Limiter được thiết kế có 4 phần cơ bản sau:

* Khâu giới hạn tần số điện áp (V/f limiter)

Chúng ta biết rằng khi tần số của điện áp phát ra của máy phát thấp có thể làm cho máy phát và các máy biến áp không hoạt động được do từ thông giảm, hiện tượng dòng xoáy làm cho các thiết bị này bị quá nhiệt và mạch từ bị bão hòa. Chính vì thế ở các máy phát thường có khối bảo vệ giới hạn tần số điện áp. Khối này có tác dụng giới hạn điện áp đặt theo tần số.Khi tần số giảm thì điện áp phát ra của máy phát cũng phải giảm theo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.14:Đặc tính giới hạn tần số điện áp (V/f Limiter) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Khi tần số nhỏ hơn tần số định mức thì điện áp đặt giới hạn theo đường thẳng nằm nghiêng. Cần chú ý là tần số không được phép nhỏ quá (Nếu nhỏ quá 41 Hz thì toàn bộ hệ thống máy phát sẽ phải ngưng hoạt động). Khi tần số lớn hơn tần số định mức thì điện áp đặt tối đa là 1.1.Uđm

Để giải quyết được yêu cầu trên thì bộ giới hạn V/f được thiết kế như sau:

Hình 3.15: Sơ đồ giới hạn tần số điện áp (V/f Limiter)

Phương trình của đường thẳng giới hạn:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó: K : Hệ số góc của đường đặc tính V/f U_fn : Điện áp ứng với tần số định mức Utmax : Điện áp đặt lớn nhất

Các tham số thực tế: K = 09; U_fn = 1.1; Utmax = 1.1;

* Khâu giới hạn thiếu kích thích (UEL Limiter)

Khi tải có tính chất dung kháng điện áp phía đầu cực máy phát thường giảm xuống và được gọi là hiện tượng thiếu kích thích. Khi đó máy phát không làm nhiệm vụ phát công suất phản kháng mà trở thành máy nhận công suất phản kháng làm cho lõi thép của máy phát nóng và làm cho máy rơi vào trạng thái làm việc không ổn định. Bộ giới hạn thiếu kích thích có nhiệm vụ hạn chế công suất phản kháng của máy phát không được nhỏ hơn giá trị cho phép. Khi bộ UEL hoạt động bộ AVR trở thành bộ điều chỉnh công suất phản kháng để điều chỉnh công suất phản kháng nằm trong giới hạn cho phép. Việc tính toán giới hạn này dùng phương pháp tra bảng Look up Table.Trong đó bảng quan hệ PQ được lấy gần đúng bằng cách nhập số liệu trong hệ đơn vị tương đối. Tuy nhiên rất ít khi máy phát làm việc ở vùng này.

Sau đây là thiết kế chi tiết của khối giới hạn UEL

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng tra Look up Table có vào là công suất tác dụng của máy phát giá trị ra là giá trị của công suất phản kháng biên giới giới hạn.

Khi mà công suất phản kháng Qt vẫn nằm trong giới hạn cho phép thì giá trị ra của khối UEL âm nên trong khi đó giá trị điện áp ra thường thấp hơn giá trị định mức nên DeltaU thường có giá trị dương qua cổng chọn giá trị cao thì giá trị UEL bị bỏ qua.

Khi mà công suất phản kháng nhỏ hơn giá trị cho phép khi đó tín hiệu ra của khối UEL có giá trị dương khi đó cần chọn giá trị KPQ phù hợp để giá trị tín hiệu ra của khối UEL lớn hơn giá trị DeltaUtrong mạch vòng điều chỉnh điện áp. Và khi đó bộ AVR trở thành điều chỉnh công suất phản kháng bám theo giá trị giới hạn ổn định PQ.Trong thiết kế này thông qua việc so sánh DeltaU và giá trị U_UEL đã chọn ra giá trị phù hợp KPQ = 0,01.

* Khâu giới hạn quá kích thích (OEL Limiter)

Nguyên tắc chung để giải quyết hai bài toán giới hạn trên là tính nhiệt lượng tích lũy trên trên mạch stato hoặc mạch kích từ. So sánh lượng nhiệt tích lũy với lượng nhiệt lớn nhất cho phép. Nếu nhiệt lượng tích lũy nhỏ hơn giá trị cho phép lớn nhất thì không tác động khi nhiệt lượng tích lũy lớn hơn hoặc bằng giá trị lớn nhất thì khối OEL tác động. Khi đó mạch vòng điều chỉnh điện áp trở thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện stato hoặc dòng điện kích từ.

e. Thiết kế bộ đặt điện áp (Setpoin) * Sơ đồ khối điện áp đặt