Đang tải... (xem toàn văn)
Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha
Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 8 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 10 1.1. Đặt vấn đề 10 1.2. Mục đích nghiên cứu 11 1.3. Phạm vi nghiên cứu 11 1.4. phương pháp và phương tiện nghiên cứu 11 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA 12 I. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CẤP TỪ BIẾN TẦN 12 2.1. Khái quát chung 12 2.2. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ như sau 12 2.3. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha 12 2.3.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 12 2.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ 15 2.4. Các đặc điểm điều chỉnh khi sử dụng biến tần 17 2.5. Hệ truyền động điện trên cơ sở động cơ không đồng bộ ba pha 19 II. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA 20 2.1. Khái niêm 20 2.2. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ 20 Trang 1 Đồ án tốt nghiệp 2.2.1. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn 2.2.2. Kết cấu của máy điện cực lồi 2.3. Hệ kích từ của máy phát đồng bộ 2.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 2.3.2. Quan hệ giữa điện áp ra với dòng điện kích từ 2.4. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ 2.4.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục ( X d , X q ) 2.4.2. Điện kháng quá độ X’ d 2.4.3. Điện kháng siêu quá độ 2.5. Các đặc tính của máy phát đồng bộ III. THIẾT BỊ TẠO TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 3.1. Ưu và nhược điểm khi sử dụng hệ thống dùng PLC 3.2. Lý do sử dụng PLC cho đề tài 3.3. Bộ điều khiển PID trong PLC Step7 3.3.1. Bộ điều khiển mềm PID 3.3.2. Bộ điều khiển FB41 (CONT C) IV. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 4.1. Biến tần Micro Master 440 – MM440 4.1.1 Giới thiệu chung 4.1.2. Nét nổi bật của MM440 4.1.3. Các tính chất của biến tần 4.1.4. Thông số kỹ thuật của biến tần MM440 4.1.5.2. Sơ đồ mạch điều khiển 4.1.6. Các thông số cài mặc định của biến tần V. THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ PHẢN HỒI VỀ PLC Trang 2 Đồ án tốt nghiệp 5.5. Giới thiệu chung về máy phát tốc 5.5.2. Nguyên lý làm việc của máy phát tốc VI. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU VÀ TẦN SỐ 6.1. Các phương pháp đo điện áp 6.1.1. Vônmét số chuyển đổi thời gian 6.1.2. Vônmét số chuyển đổi tần số 6.1.3. Vônmet chuyển đổi trực tiếp (chuyển đổi bù) 6.1.4. Vônmét số sử dụng ADC 6.1.5. Đo điện áp bằng phương pháp so sánh 6.2. Các phương pháp đo tần số 6.2.1. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng 6.2.2. Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm 6.2.3. Đo tần số bằng phương pháp đếm tần VII. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG 7.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA. A. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TRONG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM I. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP, TÂN SỐ 1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch đo phản hồi tần số 1.2. Sơ đồ board và bố trí linh kiện 1.3. Sơ đồ mạch board 1.4. Chức năng và nguyên lý của từng khối 1.5. Giới thiệu về IC chuyển đổi số sang tương tự DAC 0808 Trang 3 Đồ án tốt nghiệp II. XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA MÁY PHÁT TỐC III. THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN 3 3.1. Sơ đồ mạch nguồn kích từ cho máy phát điện 3 pha 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý 3.1.2. Sơ đồ bố trí linh kiện 3.1.3. Sơ đồ mạch board 3.1.4. Giới thiệu các phần tử trong mạch 3.1.5. Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn kích từ B. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A. Kết quả thực hiện đồ án B. Hướng khắc phục và hướng phát triển của đề tài C. Những thuận lợi và khó khăn Tài liệu tham khảo Trang 4 Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stato: Phần tĩnh động cơ không đồng bộ Roto: phần quay động cơ không đồng bộ F 1 : Tần số lưới điện P: Số đôi cực động cơ không đồng bộ E 2 : Sức điện động của động cơ không đồng bộ W: Tốc độ quay của động cơ không đồng bộ S: Hệ số trượt của động cơ M th : Momen tới hạn HTTĐĐ: Hệ thống truyền động điện D: Đường kính roto trong máy phát L: Chiều dài E 1 : Sức điện động cảm ứng trên các pha của máy phát W: Số vòng dây cuộn dây stato của máy phát K d0 : Hệ số dây quấn q : Từ thông do cuộn kích từ sinh ra TĐK: Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ I t : Dòng kích từ U t : Điện áp kích từ R t : Điện trở kích từ X d : Điện kháng đồng trục của máy phát X q : Điện kháng ngang trục của máy phát Trang 5 Đồ án tốt nghiệp X q ’: Điện kháng quá độ của máy phát K p : Hệ số khuêch đại E: Sai số W K : Là cuộn dây kích từ của máy phát tốc U k : Là điện áp mẫu chính xác cao CT: Là thiết bị tự động phát hiện sự chênh lệch điện áp ΔU =U X ưU K Trang 6 Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ 13 Hình 2.2: Kết cấu stato máy điện không đồng bộ 14 Hình 2.3: Cấu tạo rôto động cơ không đồng bộ 14 Hình 2.4: Cấu tạo máy điện không đồng bộ rôto dây quấn 15 Hình 2.5: Quá trình tạo mômen của máy điện không đồng bộ 17 Hình 2.6: Mô hình điều khiển động cơ bằng biến tần 17 Hình 2.8: Cấu trúc của khối PID mềm trong Step 7 29 Hình 2.9: Cấu trúc bên trong của Modul mềm FB41 “CONT_C’. 30 Hình 2.10: Sơ đồ khối thuật điều khiển PID trong khối FB41 31 Hình 2.11: Cấu trúc khối FB41 32 Hình 2.12: Bộ điều khiển PID 39 Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của hệ thống điều khiển với một bộ điều khiển PID 42 Hình 2.14: Thông số kỹ thuật của biến tần MM440 43 Hình 2.15: Sơ đồ mạch động lực của MM440 49 Hình 2. 16: Các đầu nối của MM440 50 Bảng 4: Các đầu dây điều khiển 50 Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440 53 Hình 2.19: Nguyên lý làm việc của máy phát tốc độ 55 Hình 2.20: Quan hệ Uf=F(n) 56 Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha. 63 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đo phản hồi tần số 64 Hình 3.2: Sơ đồ bố trí linh kiện khối vi xử lý khối chỉnh lưu tạo xung vuông 65 Trang 7 Đồ án tốt nghiệp Hình 3.3: Sơ đồ board khối vi xử lý khối chỉnh lưu tạo xung vuông Hình 3.4: Dạng sóng điện áp xung vuông Hình 3.5: Cấu tạo của DAC0808 Hình 3.6: Sơ đồ thu gọn của DAC0808 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại điện áp Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch kích từ Hình 3.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nguồn kích từ Hình 3.10: Sơ đồ mạch board mạch nguồn kích từ Hình 3.11: Hình dạng thực của LM317 Hình 3.12: Hình dạng thực tế của transistor B688 Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tốc độ quay của roto Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào tốc độ quay của roto Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tốc độ quay của roto khi đầu ra của máy phát được nối với tải 3 bóng đèn sợi đốt 75w Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào tốc độ quay của roto khi đầu ra của máy phát được nối với tải 3 bóng đèn sợi đốt 75w Trang 8 Đồ án tốt nghiệp TÓM TẮT ĐỒ ÁN Như ta đã biết với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật như hiện nay và trong tương lai thì vấn đề đo lường điều khiển, giám sát một hệ thống là một vấn đề vô cùng quan trọng góp phần vào việc phát triển ngành công nghiệp của nước ta. Chúng em đã thực hiện đề tài “ Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha”. Với mong muốn tìm hiểu về công nghệ của đề tài và củng cố những kiến thức đã thu được. Trong đề tài này chúng em đã thực hiện những nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: “Tổng quan về hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha”. Trong phần này chúng em trình bày tổng quan về máy phát, tìm hiểu về các đo lường tần số, điện áp, giới thiệu tổng quan về PLC, PID, xây dựng và ghép nối hệ thống. Chương 3: “ Xây dựng và khảo sát hệ thống”. Trên cơ sở yêu cầu của bài toán cũng như các thiết bị hiện có chúng em xin trình bày phương pháp giải quyết bài toán của đề tài một cách tối ưu nhất có thể. Trang 9 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Đặt vấn đề Trước kia, khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển thì vấn đề đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số của máy phát điện 3 pha gặp nhiều khó khăn, phạm vi ứng dụng hệ điều chỉnh này hẹp, hầu hết đều sử dụng động cơ một chiều do đặc tính điều chỉnh đơn giản. tuy nhiên, động cơ xoay chiều không đồng bộ có những ưu điểm mà các động cơ khác không có: Gía thành rẻ, dễ vận hành, có thể làm việc trong môi trường dễ cháy nổ, liên tục và dài hạn, đấu nối trực tiếp với nguồn lưới điện 3 pha …nhờ những ưu điểm này mà các động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay. Trong các hệ điều khiển, chúng ta thường gặp bộ ba: PLC – biến tần – động cơ nhưng mối quan hệ điều khiển của bộ ba này xảy ra như thế nào? Vai trò của nó ra sao thì đó lại là câu hỏi mà không phải ai cũng có thể hiều được. Do đặc thù của ngành công nghiệp nặng ( trong các nhà máy: sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất thép …) các động cơ sẽ được thiết kế và hoạt động liên tục, dài hạn trong thời tiết nóng và độ ẩm cao. Vì vậy yêu cầu đặt ra cho các động cơ này phải hiệu suất và độ tin cậy, dễ lắp đặt và bảo dưỡng. Thông thường các động cơ hạ áp thường là các động cơ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc, với công suất từ 75kw trở lên trang bị bộ khởi động mềm hoặc biến tần để khởi động dễ dàng, giảm dòng khởi động và không gây biến động lớn cho điện áp nguồn cung cấp. Mặt khác, Theo đánh giá của dự án “ Đánh giá tiết kiệm điện năng” tháng 9 năm 2009, nếu chúng ta lắp đặt bộ điều chỉnh biến tần có thể tiết kiệm ít nhất đến 30% lượng năng lượng tiêu thụ. Trong suốt quá trình học tập tại trường chúng em đã tiếp thu được vốn kiến thức nhất định, đế có thế áp dụng và củng cố kiến thức chúng em đã thực hiện đồ án “ Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha xoay chiều”. Trang 10 [...]... tiêu cụ thể: Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha 1 .3 Phạm vi nghiên cứu Do hạn chế về thời gian, đồ án chỉ tập chung nghiên cứu về đo lường và điều khiển điện áp và tần số máy phát điện 3 pha 1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu Phương pháp: Tham khảo tài liệu: Chủ yếu là tài liệu về biến tần, Lập trình PLC, động cơ không đồng bộ 3 pha, máy phát điện, máy phát tốc... khảo và các tài liệu trên mạng • Modul PLC • Phần mềm simatic S7 - 30 0 • Biến tần MM400 • Động cơ không đồng bộ 3 pha • Máy phát điện 3 pha xoay chiều • Máy phát tốc Trang 11 Đồ án tốt nghiệp-CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA I ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CẤP TỪ BIẾN TẦN 2.1 Khái quát chung Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy. .. hiện đề tài Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha giúp cho người thực hiện áp dụng được những kiến thức đã được học và còn nâng cao kiến thức về điều khiển động cơ, sử dụng biến tần Đặc biệt nó cung cấp một cái tổng quan về ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha Sau khi thực hiện được đề tài có thể áp dụng cho việc giảng dạy trong khoa ngoài ra có thể áp dụng trong... nghiệp-Dựa vào mối quan hệ U = f(it) ngươi ta xây dựng được những bộ nguồn kích từ có khả năng tự động ổn định điện áp của máy phát Tức là khi điện áp của máy phát thay đổi thì bộ nguồn kích từ tự động điều chỉnh dòng điện kích từ để cho điện áp ra của máy phát đạt một giá trị ổn định đặt sẵn Để điều chỉnh dòng kích từ ngươi ta điều chỉnh điện áp kích từ it = Ut/rt 2.4 Các thông số chủ yếu của máy phát điện. .. đồng bộ Trong máy phát điện đồng bộ ngoài các thông số như: Công suất, điện áp, dòng điện định mức… còn phải kể đến các thông số cơ bản khác của máy phát điện đồng bộ là: Điện trở, điện kháng của cuộn dây, các hằng số quán tính điện và cơ 2.4.1 Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục ( X d, Xq ) Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục là một trong những thông số đặc trưng của máy phát điện ở chế độ... cấp nhiều giải pháp lựa chọn luật điều khiển phù hợp cho đối tượng điều khiển: luật điều khiển tỷ lệ (P), luật điều khiển tỷ lệ- tích phân (PI), luật điều khiển tỷ lệ - vi phân (PD)…có chất lượng điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào tham số điều khiển Modul mềm PID giải quyết vấn đề lựa chọn tham số điều khiển và thực hiện mô phòng cho đối tượng điều khiển tương ứng với các giá trị tham số được lựa chọn... khác Máy phát giữ một vai trò then chốt trong các thiết bị cung cấp điện Nó thực hiện 3 chức năng: Phát điện, chỉnh lưu, hiệu chỉnh điện áp 2.2 Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ gồm 2 thành phần chính đó là roto và stato 2.2.1 Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn Trang 20 Đồ án tốt nghiệp-Roto của máy phát điện đồng bộ cực ẩn được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao và được... Biến tần gián tiếp nguồn áp: Là loại biến tần dùng cho hệ truyền động nhiều động cơ, bộ điều khiển biến tần này có thêm bộ điều chế độ rộng xung cho chất lượng điều chỉnh điện áp cao hơn Biến tần loại này, dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (tần số f = 0), rồi lại được biến đổi thành dòng xoay chiều tần số f2 Đây là loại biến tần được dùng phổ biến hơn vì tần. .. đại lượng như điện áp, dòng điện, dòng kích từ, hệ số cosϕ, tần số f, và tốc độ quay n Để phân tích đặc tính đặc tính làm việc của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào 3 đại lượng chủ yêu U, I, It thành lập các đường đặc tính sau: Đặc tính không tải, đặc tính ngắn mạch, đặc tính ngoài, đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ, đặc tính tải của máy phát đồng bộ, họ đặc tính V của máy phát điện III THIẾT... trường và tham gia vào các dây truyền sản xuất tự động ngoài thực tế 3. 3 Bộ điều khiển PID trong PLC Step7 3. 3.1 Bộ điều khiển mềm PID Trong Step 7 cung cấp các Modul phần mềm PID - đây là một modul khá quan trọng trong điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục: Lò điện, động cơ, điều khiển mức…Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào bộ điều khiển qua các cổng tương tự của Modul của Simatic S7 -30 0 . (hình 2.3a) gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rôto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch,. phát điện đồng bộ 2.3.2. Quan hệ giữa điện áp ra với dòng điện kích từ 2.4. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ 2.4.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục ( X d , X q ) 2.4.2 board 1.4. Chức năng và nguyên lý của từng khối 1.5. Giới thiệu về IC chuyển đổi số sang tương tự DAC 0808 Trang 3 Đồ án tốt nghiệp II. XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA MÁY PHÁT TỐC III. THIẾT