ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -***** - TẠ XUÂN TÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Thái Nguyên, năm 2013 Luận văn hoàn thành trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Cán HDKH : PGS.TS Võ Quang Lạp Chủ tịch : PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện : PGS.TS Lại Khắc Lãi Phản biện : PGS TS Nguyễn Văn Vỵ Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phịng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Vào 09 00 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, tin học tự động hóa, cơng nghiệp nước ta ngày hội nhập với kinh tế giới tiếp nhận thành tựu khoa học công nghệ Đây yêu cầu thách thức đòi hỏi đội ngũ nhà khoa học kỹ thuật công nhân nước phải không ngừng học tập để tiếp cận làm chủ công nghệ tiên tiến giới Sau năm đào tạo thạc sỹ tạo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, giao đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều chỉnh tự động tần số máy phát Diesel” Đối tượng nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số máy phát Diesel Vấn đề ổn định tần số sử dụng hệ thống truyền động dùng điều khiển trực tiếp mô men để đánh giá chất lượng cho hệ thống ổn định tần số máy phát Đề tài hồn thành, ngồi nỗ lực thân cịn có bảo, giúp đỡ động viên thầy giáo, gia đình, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến PGS.TS Võ Quang Lạp , người quan tâm động viên, khích lệ tận tình hướng dẫn tơi suốt trình thực luận văn Chân thành cảm ơn thầy Do kiến thức hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận ý kiến bảo thầy cô giáo bạn bè đồng nghiệp để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 29 tháng 07 năm 2013 Học viên Tạ Xuân Tùng TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Nội dung luận văn cấu trúc gồm chương: Chương I: Tổng quan máy phát Diesel 1.1 Công dụng máy phát diesel Máy phát Diesel đóng vai trị quan trọng hệ thống điện, ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực vận tải thủy, vận tải sử dụng nơi cần có nguồn điện cơng suất lớn ngành công nghiệp,và nơi khơng có điện lưới ngồi đảo xa 1.2 Chất lượng điện máy phát điện 1.2.1 Đặt vấn đề Trong phần luận văn nói tần số điện áp Tần số điện áp tiêu quan trọng định chất lượng điện năng, tần số điện áp không đảm bảo dẫn đến gia tăng chi phí vốn đầu tư, chi phí vận hành, giảm suất hiệu làm việc thiết bị điện… 1.2.2 Ổn định tần số máy phát điện Để ổn định tần số máy phát điện có hai phương pháp ổn định thứ cấp ổn định sơ cấp sau nghiên cứu phương pháp 1.2.3 Ổn định tần số thứ cấp SERVO ENGINE RPM CONTROL UINT GOV.ACTUATOR PANEL SERVO MOTOR DRIVER Fule Limiter REDUCTION GEAR SERVO MOTOR PID CONTR OL PRM ORDER SIGNAL Scav limiter ( ) ACTUAL ACT POS.SIGNAL PRM IN C DEC SIGNAL IN C P/U P/I SCAV.AIR RECEIVER DEC C FUEL PUMP DIESEL ENGINE Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diesel - Sơ đồ điều tần thứ cấp Hình 1.3: Sơ đồ khối điều tần thứ cấp BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số F : Máy phát CCĐ: Cơ cấu đo tần số R3 * * U1 U L I1 R1 R2 * U2 R UR +Ecc Uf -Ecc U2 UL U1 I2 a) b) Hình 1.4: Sơ đồ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) 1.2.3.2 Ổn định tần số sơ cấp Sơ đồ hệ truyền động máy phát Diesel : Điều chỉnh tần số sơ cấp điều chỉnh trực tiếp tốc độ quay tuabin thông qua điều tốc Một sơ đồ khối hệ thống điều tốc máy phát điện Diesel thể hình vẽ Nhiệm vụ điều tốc cho tốc độ quay rotor – máy phát khơng đổi có thay đổi phụ tải ω f’ f Bộ Điều khiển Động Cơ cấu Điều tốc Cảm biến vị trí (P/U) Hình 1.6: Sơ đồ khối điều tốc máy phát Diesel 1.3 Các tiêu thông số ổn định tần số φ Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vịng quay khơng thay đổi hay thay đổi tác động người, không phụ thuộc vào tải Đặc tính điều tốc đăc trưng số thông số chủ yếu sau: *Độ sai lệch *Độ rộng vùng không nhạy *Độ không ổn định vòng quay tương đối *Thời gian điều chỉnh 1.4 Các phương án thiết kế Từ nguyên lý đo làm việc hệ điều tốc máy phát Diesel thấy có nguyên tắc điểu khiển ổn định tần số sơ cấp là: - Điều khiển tương tự - Điều khiển số 1.4.1 Hệ điều khiển tương tự Có sơ đồ hình vẽ: Hình 1.7: Hệ thống điều khiển ổn định máy phát tương tự tần số 1.4.2 Hệ điều khiển số Có sơ đồ khối hình vẽ: A U γ Bộ điều khiển vị trí U MP D A D ϕ γn Bộ ĐK tốc độ Động Máy phát M_ Cảm biến vị trí M_ M_ Cơ cấu điều tốc Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển số 1.5.Các hệ truyền động cho hệ ổn định tần số Vì u cầu cơng nghệ việc điều chỉnh tần số máy phát điện thực chất điều chỉnh điều tốc, xem xét nghiên cứu hệ thống sau để lựa chọn phương án truyền động cho thích hợp - Hệ thống truyền động TĐ Với hệ thống thiết kế để thỏa mãn yêu cầu truyền động ổn định tần số Hệ thống sử dụng công nghiệp, song với yêu cầu hệ ổn định tần số có nhược điểm sau: 1) Mặt điều khiển phức tap, thông thường hệ truyền động ứng dụng cho công suất lớn (hệ hệ ổn định tần số công suất nhỏ) 2) Xung điện áp động điện chiều Hệ thống so với hệ thống truyền động có nhiều ưu điểm hơn, so với yêu cầu truyền động ổn định tần số máy Dicsel hệ thống vấp phải số nhược điểm sau: - Cơng suất lớn - Thiết bị khó mua 3) Hệ thống truyền động biến tần động điện đồng roto nam châm vĩnh cửu - Ưu điểm hệ thống này, việc thiết kế thỏa mãn truyền động ổn định tần số thiết bị vật tư dễ mua động làm việc an toàn, chắn => Với ba phương án phương án ba hợp lý luận văn ta chọn phương án ba Chương II : Phân tích tổng hợp hệ truyền động biến tần ĐC điện ĐB_KTVC ứng dụng cho điều chỉnh ổn định tần 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học động ĐB_KTVC Trong phần luận văn đưa mô hình tốn học động khơng đồng phương trình trạng thái phi tuyến Lsdq Rs jωψp Hình 2.8: Sơ đồ thay MĐĐB-KTVC     ψp di sd Lsd 1 = ωs isd − isq + u sq − ω s dt Lsq Tsq Lsd Lsq   Lsq di sd 1 = isd + ω s isq + u sd dt Tsd Lsd Lsd Phương trình Khi chọn động ĐB_KTVC cực ẩn có Lsd ≈ Lsq mơ men động lại là: Mm = zP.ψsdisq 2.2 Giới Động học động đồng nam châm vĩnh cửu Mơ hình động đồng nam châm vĩnh cửu minh họa hình 2.1 hình 2.2 đây: d ω isv usv Cuộn dây pha V ϑ q Trục chuẩn Rotor usv usv isv Cuộn dây pha U Stator isv Hình 2.1 Mơ hình động đồng ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi d ω isv usv Cuộn dây pha V ϑ q Rotor usv Cuộn dây pha W usw isv Cuộn dây pha U Trục chuẩn Stator isw Hình 2.2 Mơ hình động đồng ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn 2.3 Phương trình động hệ tọa độ (a,b,c) Phương pháp điện áp: U as  U   bs  U cs    rs 0  0  = 0 0  rs   rs i as  i   bs  ics     dψ as   dt     dψ bs   dt     dψ cs    +  dt  Phương trình từ thông:  L is + L m  − L  m  − L m   − Lm L is + L m − Lm  Lm   − Lm    L is + L m    − 4L2ss − L2m  L−1 = 2L L + L2m s −2 −3  ss m L ss − L ss L m − L m 2L L + L2 m 4  ss m   sin θ  r   i as   i  + ϕsin  θ − π      r  bs     i cs       sin  θ r + π     2L ss L m + L2m 4L2ss − L2m 2L ss L m + L2m 2L ss L m + L2m   2L ss L m + L2m  4L2ss − L2m   Phương trình động học động đồng nam châm vĩnh cửu 2.4 Phương trình động học động điện đồng pha tọa độ vecto không gian jβ Cuộn dây pha V jq Trục từ thông rotor d Trục rotor ωs jsβ ω ϑ jsq rotor isα ϑ s Cuộn dây pha w Cuộn dây pha U α Hình 2.7: Biểu diễn vector khơng gian hệ tọa độ từ thơng Rotor, cịn gọi hệ tọa độ dq Lsdq Rs jωψp Hình 2.8: Sơ đồ thay MĐĐB-KTVC     ψp di sd Lsd 1 = ωs isd − isq + u sq − ω s dt Lsq Tsq Lsd Lsq   Lsq di sd 1 = isd + ω s isq + u sd dt Tsd Lsd Lsd Với phương trình từ thơng: ψ sd = L sd i sd + ψ p    ψ sd = L sq i sq   Khi chọn động ĐB_KTVC cực ẩn có Lsd ≈ Lsq mơ men động cịn lại là: Mm = zP.ψsdisq 2.5 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển biến tần động ĐB_KTVC Trong sơ đồ điều khiển vector động ĐB_KTVC đại lượng điều khiển thực tọa độ d q Sau biến đổi thành đại lượng điện pha để điều khiển biến tần cung cấp cho động Với động ĐB_KTVC sau chuyển đổi trục d q thành phần id trục d không Ri1 Từ cơng thức tính momen cách đặt vấn đề điều khiển vector hệ thống xây dựng sơ đồ truyền động điều khiển vector biến tần động ĐB_KTVC hình vẽ sau: PWA Ri2 Rω ω* ω iđ iq Rω iα iβ δ P 10p di/di δ PMSM • Nguyên lý làm việc Trong sơ đồ thành phần id = thành phần tương ứng để tạo từ thơng rotor động dùng động ĐB_KTVC thành phần từ thông ψp không đổi ta không xét Coi mạch vòng ổn định Vậy với lượng đặt ω* ta có(với tần số đặt f xác định) tốc độ thay đổi đầu vào Rω = k(ω* - ω) thay đổi dẫn tới đầu vào Ri2 thay đổi làm cho Uq thay đổi Như kết luận chương II với hệ thống thiết kế tốc độ động thay đổi dẫn tới tần số biến tần momen động thay đổi làm cho hệ thống vừa ổn định tần số momen Chương III : Khảo sát nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số máy phát Diesel 3.1 Các vấn đề điều khiển ổn định tần số 3.1.1 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC) uSd ĐCD uSq iSd - eSϑ ω iSd iSq ϑS uSβ e CTĐi ucđ iSα iSβ + NL CTĐU u ĐCVTKG Sα 3∼ a b c ϑS MHD U iSa iSc i*Sq PMSM ω FT Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ hệ ổn định tần số máy sử dụng động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu Phương pháp đáp ứng yêu cầu điều chỉnh hệ thống trình độ chất lượng điều khiển tối ưu mômen Việc điều khiển vectơ dựa định hướng vectơ từ thơng rơto 11 cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dịng stator, từ điều khiển độc lập từ thông mômen động Kênh điều khiển mômen thường gồm mạch vòng điều chỉnh tốc độ mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen Kênh điều khiển từ thông thường gồm mạch vịng điều chỉnh dịng điện sinh từ thơng Do hệ thống truyền động điện động đồng tạo đặc tính tĩnh động cao, so sánh với động chiều 3.1.2 Điều khiển trực tiếp mômen (DTC) Điều khiển trực tiếp momen cho động đồng ba pha phương pháp điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ đại lượng điều khiển gián tiếp Nội dung phương pháp dựa tác động trực tiếp vec tơ điện áp lên vectơ từ thơng móc vịng stator Thay đổi trạng thái vectơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ động Các vec tơ điện áp chọn lựa dựa sai lệch từ thông stator momen điện từ với giá trị đặt Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch từ thông mô men điện từ, vectơ điện áp tối ưu định trước chọn để điều chỉnh đại lượng với lượng đặt Đây phương pháp điều khiển đơn giản, phụ thuộc vào thơng số động cơ, đáp ứng momen nhanh, ∼ pha linh hoạt NL CLPWM LL PMSM BD C Scla,b,c Udc Điều khiển chỉnh lưu PWM SNla,b,c Điều khiển nghịch lưu ĐKCL ĐKNL Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 3.2 Thông số hệ thống 3.2.1 Động PMSM Thông số động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM) Siemens loại FT6 • Cơng suất P = 4.5 kW • Điện cảm Stator : Ls = 5,4 mH • Điện trở Stator: Rs = 0,47 Ω 12 FT • Số đơi cực: Zp = • Tần số: fs = 50 Hz • Tốc độ quay danh định: n_N = 3000 vong/phut • Tốc độ quay tối đa: n_max = 4500 vong/phut • Momen qn tính: J = 0,0069 kgm2 • Momen danh định: m_M = 26,5 Nm Dòng danh định: I_N = 10,9 A 3.2.2 Số liệu biến tần 4Q - Thông số nguồn vào khối chỉnh lưu: U∼ = 220/380V, f = 50Hz; - Phần chiều biến tần PWM: Udc = 650V, Idc = 15A - Thông số đầu biến tần: U∼max = U = 220 = 311(V) , f = (5 ÷ 50) Hz - Chọn IGBT loại BUS622 - Tính chọn tụ : Cdc = M.I n ω.∆Vg Trong : M = 0.57 tỷ số điều chế ∆Vg sai lệch điện áp chiều ( ∆Vg