Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển tốc độ turbine nước loại nhỏ nhằm ổn định tần số của dòng điện đầu ra

Đối với các turbine thủy điện công suất lớn, ngoài việc ổn định điện áp thì việc ổn định tần số nguồn điện phát ra là tất yếu và việc đó do bộ điều tốc turbine đảm nhiệm.. 4 CHƯƠNG 1 TỔN

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TỐC TURBINE NƯỚC 4

1.1 Ý nghĩa, vai trò việc điều chỉnh tần số của máy phát điện[17] 4

1.1.1 Tính tất yếu của việc điều chỉnh tần số 5

1.1.2 Bản chất và ý nghĩa điều chỉnh tần số trong hệ thống điện 5

1.1.3 Tần số của máy phát và phương trình động học của Turbine 7

1.1.4 Đặc tính điều chỉnh của turbine 12

1.1.5 Quá trình thay đổi công suất đặt của tổ máy trong nhà máy điện 14

1.2 Tổng quan chung về kỹ thuật điều khiển dòng nước vào turbine 16

1.2.1 Kiểu van lưỡi gà 16

1.2.2 Kiểu thùng chụp 17

1.2.3 Kiểu cánh hướng nước 18

1.3 Điều khiển dòng chảy bằng van cánh bướm 20

1.4 Nguyên lý điều tốc turbine nước 20

1.4.1 Nguyên lý điều khiển trực tiếp - luật điều khiển P(Proportional) 20

1.4.2 Nguyên lý điều khiển gián tiếp - luật điều khiển PI(Proportional Intergral) 22

1.5 Kết luận 27

CHƯƠNG 2 CÁC PHẦN TỬ CƠ SỞ SỬ DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU TỐC 28

2.1 Đo tốc độ quay sử dụng Encoder 29

2.2 Lập trình bộ điều khiển trên nền vi điều khiển 29

3

2.3 Van điểu khiển không trục 30

2.4 PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VAN KHÔNG TRỤC 32

2.4.1 Các phương án chế tạo cơ cấu điều khiển van không trục 32

2.5 Cơ sở lý thuyết tổng hợp bộ điều khiển 44

2.5.1 Nhận dạng đối tượng 44

2.5.2 Thuật toán điều khiển PID 48

2.5.3 Tính toán tham số của bộ điều chỉnh bền vững tối ưu[2][13] 49

2.5.4 Thực thi bộ PID số[2] 51

2.6 Kết luận 55

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE 56

3.1 Tổ chức và thiết kế các phần tử cơ bản của hệ thống thí nghiệm[14] 56

3.1.1 Cơ cấu phản hồi tốc độ Turbine 56

3.1.2 Thiết kế cơ cấu điều khiển van không trục 57

3.1.3 Bộ điều khiển ATMEGA8 60

3.2 Phần mềm giám sát hệ thống 65

3.3 Quá trình thử nghiệm và kết quả nghiên cứu thực nghiệm bộ điều tốc Turbine 68 3.3.1 Mô tả mô hình thủy điện siêu nhỏ 68

3.3.2 Lắp đặt mô hình thí nghiệm 74

3.3.3 Quá trình thử nghiệm bộ điều tốc trên cơ sỏ van trượt bám - mô hình thủy điện thực nghiệm 76 3.4 Kết luận 93

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

Phụ lục 1: Code lập trình phần mềm nhập tham số điều khiển 99

Phụ lục 2: Code lập trình vẽ đồ thì giám sát hệ thống 107

Phụ lục 3: Code lập trình vi điều khiển 112

4

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai

Để hoàn thành bản luận văn này tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào mà không được ghi Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình thiết kế hoặc đồ án tốt nghiệp của người khác

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên thực hiện

5

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Đặc tính phụ tải tổng hợp theo tần số 6

Hình 1.2 Ví dụ chênh áp cột nước 10

Hình 1.3 Đặc tính quan hệ giữa tần số và công suất của turbine máy phát 12

Hình 1.4 Quá trình thay đổi công suất đặt của máy phát 15

Hình 1.5 Kiểu lưỡi gà 16

Hình 1.6 Kiểu thùng chụp 17

Hình 1.7 Hệ thống cánh hướng nước 18

Hình 1.8 Hình vẽ chi tiết kiểu cánh hướng nước 19

Hình 1.9 Van bướm 20

Hình 1.10 Máy điều tốc tác động trực tiếp 22

Hình 1.11 Máy điều tốc tác động gián tiếp 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối các phần từ 28

Hình 2.2 Mặt cắt bổ dọc của van không trục 30

Hình 2.3 Đường cong đặc tính động của van điều khiển không trục 31

Hình 2.4 Bộ phận điều khiẻn van sử dụng kiểu cuộn dây nam châm điện 33

Hình 2.5 Lò xo có biên dạng thẳng và biên dạng đặc biệt 34

Hình 2.6 Bộ phận điều khiển van kiểu dùng nam châm vĩnh cửu 34

Hình 2.7 Nối ty van với phần dịch chuyển qua một cơ cấu kiểu xoay 36

Hình 2.8 Nguyên lý cấp điện cho cuộn dây để điều khiển động cơ bước 38

Hình 2.9.Ví dụ về điều chế độ rộng xung(PWM) và góc quay của servo 39

Hình 2.10 Sử dụng động cơ điện một chiều cùng với cơ cấu xoay 39

Hình 2.11 Đặc tính tĩnh học của van một bệ 40

Hình 2.12 Cơ cấu kiểu xoay 40

Hình 2.13 Biểu diễn mối quan hệ giữa x và φ 40

Hình 2.14 Tổng hợp đặc tính tĩnh học của van một bệ theo góc quay φ 41

Hình 2.15 Sử dụng cam để tuyến tính đường đặc tính tĩnh của van 42

6

Hình 2.16 Cơ cấu điều khiển van kiểu ròng rọc 43

Hình 2.17 Sơ đồ thí nghiệm nhận dạng đối tượng trong hệ thống hở 45

Hình 2.18 Đặc tính quá độ thực nghiệm 46

Hình 2.19 Sơ đồ bộ điều khiển PID tổng hợp liên tục 49

Hình 2.20 Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu vào của bộ điều chỉnh PID số 51

Hình 2.21 Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều chỉnh PID số 52

Hình 3.1 Dạng xung ra của encoder Autonics E30S4 56

Hình 3.2 Thông số kĩ thuật opto TOSHIBA TLP250 57

Hình 3.3 Kích thước động cơ servo Futaba MG995 58

Hình 3.4.Dạng tín hiệu điều khiển động cơ servo 59

Hình 3.5 Hình ảnh ghép nối cơ cấu chấp hành kiểu ròng rọc 59

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 60

Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán điều khiển 62

Hình 3.8 Sơ đồ ghép nối cơ cấu điều khiển 64

Hình 3.9 Sơ đồ hoạt động bộ điều khiển 65

Hình 3.10 Phần mềm Data Collect trên Windows 66

Hình 3.11 Đồ thị theo dõi hệ thống trong chế độ mô phỏng trên máy tính 67

Hình 3.12 Nguyên lý làm việc của nhà máy thủy điện 68

Hình 3.13 Sơ đồ dòng chảy 69

Hình 3.14 Turbin Turgo 70

Hình 3.15 Bơm chìm trục đứng đa tầng cánh 71

Hình 3.16 Van trượt bám 72

Hình 3.17 Sơ đồ mạch điện tiêu thụ 73

Hình 3.18 Ảnh chụp hệ thống lắp đặt trên thực tế 74

Hình 3.19 Sơ đồ khối khởi động mô hình thủy điện 76

Hình 3.20 Sơ đồ khối tính toán bộ điều khiển 78

Hình 3.21 Đồ thị đáp ứng quá độ trước và sau khi đã xử lý 80

7

Hình 3.22 Đồ thị đáp ứng quá độ của mô hình Turbine 81

Hình 3.23 Sơ đồ hệ thống điều khiển 83

Hình 3.24 Đồ thị đáp ứng của đầu ra bộ điều khiển 84

Hình 3.25 Sơ đồ các bước thí nghiệm đáp ứng của hệ thống 86

Hình 3.26 Phần mềm data collect trên máy tính cài đặt các thông số điều khiển 87

Hình 3.27 Đồ thị đáp ứng tốc độ turbine khi thay đổi tải 88

Hình 3.28 Đồ thị đáp ứng tốc độ turbine khi thay đổi lượng nước vào 90

Hình 3.29 Đồ thị tốc độ turbine khi chạy ổn định 92

áp mà không trang bị cơ cấu ổn định tấn số của dòng điện phát ra, do đó khả năng sử dụng rất hạn chế

Đối với các turbine thủy điện công suất lớn, ngoài việc ổn định điện áp thì việc

ổn định tần số nguồn điện phát ra là tất yếu và việc đó do bộ điều tốc turbine đảm nhiệm

Cấu tạo cơ bản của bộ điều tốc turbine bao gồm: cơ cấu điều khiển, cơ cấu khuếch đại lực và hệ thống cánh hướng (van cánh hướng) điều chỉnh nước Cơ cấu điều khiển trước đây có cấu tạo kiểu cơ – thủy lực, nay đã thay thế bằng cơ cấu thủy lực điện tử -

Do đó cần nghiên cứu thiết kế bộ điều tốc có thể ứng dụng cho turbine loại nhỏ

3 Phương pháp nghiên cứu

+Tìm hiểu, tổng hợp, biên tập tài liệu kĩ thuật về các phương pháp điều tốc turbine

từ các tác phẩm trong và ngoài nước

+Đánh giá về các loại van và cơ cấu điều khiển truyền thống đang có

+Thiết kế bộ điều tốc turbine thủy điện trên cơ sở van điều khiển

+Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng sự hoạt động của bộ điều tốc kiểu mới

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+Tập trung vào phương pháp điều tốc những loại turbine siêu nhỏ công suất từ 200-500W

+Kế thừa và phát triển các các cơ cấu điều khiển van không trục Đặc biệt là sử dụng cơ cấu servo vào điểu chỉnh độ mở van

+Xây dựng bộ điều khiển PID trên nền vi xử lý, tương thích với van không trục +Thiết lập phần mềm giám sát khả năng hoạt động và vận hành của thiết kế mới

3

5 Điểm cơ bản và đóng góp mới của đề tài

 Đề xuất cấu trúc điều khiển turbine dựa trên van không trục Ứng dụng cho

bộ điều tốc turbine không cần trang bị hệ thống trợ lực bên ngoài

 Thiết kế cơ cấu ghép nối hợp lý giữa mạch điều khiển PID và van điều khiển

 Đề xuất dùng Encoder có sẵn trên thị trường làm bộ cảm biến đo tốc độ quay turbine

 Đề xuất phương pháp nhận dạng đối tượng theo đáp ứng quá độ với tính toán đơn giản, mô hình phù hợp thực tế

 Xây dựng phần mềm giám sát điều khiển hệ thống turbine máy phát như là một tổ máy phát điện cung cấp cho hộ tiêu thụ độc lập

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TỐC TURBINE NƯỚC

1.1 Ý nghĩa, vai trò việc điều chỉnh tần số của máy phát điện[17]

Quá trình sản xuất và tiêu thụ điện năng có tính chất đặc biệt so với các sản phẩm khác, đó là sự cân bằng giữa cung và cầu diễn ra liên tục trong từng phút, từng giây…điều này có nghĩa là cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện diễn ra một cách tự nhiên

Một nhiệm vụ hết sức quan trọng của việc cung cấp điện là đảm bảo các chỉ tiêu

về chất lượng điện năng của hệ thống điện, trong đó hai chỉ tiêu đặc biệt quan trọng là chỉ tiêu về điện áp và tần số phải nằm trong phạm vi cho phép theo quy định Ulv = Uđm ± 5%Uđm và flv = fđm ± 0,2Hz Trong đó thông số điện áp mang tính chất cục bộ còn tần số mang tính chất hệ thống, bởi vì điện áp có thể thay đổi bằng biến áp hoặc ổn áp đối với từng thiết bị tiêu thụ điện Đối với máy phát điện, việc điều chỉnh điện áp chính là điều chỉnh từ thông qua roto của máy phát(hoặc điều chỉnh bằng biến áp ngoài mắc sau máy phát) còn việc điều chỉnh tần số hệ thống chính là điều chỉnh công suất hữu công của tổ máy phát ra Đối với máy phát thủy điện, việc điều chỉnh công suất hữu công của tổ máy chính là điều chỉnh công suất cơ của turbine thủy lực bằng cách điều chỉnh độ mở cánh hướng để thay đổi lưu lượng nước qua turbine

Như vậy, hệ thống điều tốc trong các máy phát thủy điện là một hệ thống tự động điều chỉnh công suất cơ của turbine thủy lực để duy trì tốc độ quay (tần số) của máy phát trong giới hạn cho phép, đồng thời đảm bảo cho máy phát làm việc ở các chế độ: tần số, công suất yêu cầu

Đối với trường hợp cụ thể, turbine hộ gia đình ở Việt Nam, công suất máy phát thủy điện cần đảm bảm lớn hơn công suất tiêu thụ của tổng các thiết bị điện Bộ điều tốc

5

máy phát có nhiệm vụ điều chỉnh thủy năng hay nói một cách trực quan là điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine để duy trì tốc độ quay ổn định của turbine khi công suất tiêu thụ thay đổi

1.1.1 Tính tất yếu của việc điều chỉnh tần số

Quan điểm để đưa ra kết luận khẳng định phải thay đổi công suất phát máy phát

để duy trì ổn định tần số bởi vì khi có sự thay đổi về tần số thì sẽ gây ra những hậu quả xấu cho thiết bị như:

 Các thiết bị được thiết kế và làm việc tối ưu ở tần số định mức

 Khi tần số giảm thì hiệu suất của thiết bị cũng giảm ví dụ như: Quạt, động cơ

 Làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm từ máy dệt, mài, tiện Các yếu tố gây ra việc thay đổi tần số, công suất là do sự không phù hợp giữa năng lượng điện sản sinh và tiêu thụ như:

 Giờ trong ngày như: sử dụng nhiều thiết bị điện khi ở nhà

 Ngày trong tuần như: Thứ bảy, chủ nhật

 Ảnh hưởng của thời tiết như: Mưa, nắng , tác động đến lượng nước đầu vào

 Những yếu tố ngẫu nhiên khác

1.1.2 Bản chất và ý nghĩa điều chỉnh tần số trong hệ thống điện

- Tấn số và điện áp là hai chỉ tiêu quan trọng nhất của chất lượng điện năng Mỗi một thiết bị tiêu thụ điện làm việc với một tần số nhất định Khi tần số của nguồn cung cấp cho thiết bị tiêu thụ điện lệch khỏi tần số định mức của nó thì công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và các thông số khác của thiết bị đó cũng thay đổi Người ta đã

- Đối với ĐB: Khi tần số thay đổi 1% thì P thay đổi 1%;

- Đối với ĐK: Khi tần số thay đổi 1% thì P thay đổi 3%;

- Các lò điện trở, hồ quang …P không phụ vào tần số

+ Đối với công suất phản kháng (Q), tại một nút phụ tải ta có:

Q = Q0 + ΔQ - Qc (1.1)

fđm

f P,Q

7

Với:

- Qo : Công suất phản kháng mà các động cơ và máy biến áp tiêu thụ (công suất từ hoá);

- ΔQ : Tổn thất công suất phản kháng trong hệ thống;

- Qc : Công suất phản kháng do đường dây sinh ra

Khi tần số giảm, Qo tăng, ΔQ và Q tăng Đối với một nút phụ tải, khi tần số giảm 1% thì Q tăng (1÷5)%

Ngoài ra sự thay đổi tần số của hệ thống cũng có một phần ảnh hưởng đến điện

áp, nhờ vậy khi hệ thống thiếu công suất phản kháng làm điện áp giảm, có thể giảm bớt

độ sụt áp bằng cách nâng tần số lên

Như vậy, tần số có vai trò quan trọng đến hệ thống điện, có ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị tiêu thụ điện, cho nên việc giữ tần số ở một giá trị cố định (hay giữ cho tần số chỉ được sai lệch trong một phạm vi cho phép) là một yêu cầu quan trọng của hệ thống

Khác với điện áp, tần số tại mọi điểm trong hệ thống đều như nhau Quá trình điều chỉnh để duy trì tần số ở một giá trị nhất định (hay được sai lệch trong phạm vi cho phép) được gọi là điều tốc Vì vậy điều tốc là một trong những thiết bị quan trọng trong dây chuyền sản xuất điện năng Tuy nhiên việc điều chỉnh tần số hiện nay chỉ được thực hiện tại các nhà máy điện vì các cơ cấu cồng kềnh phức tạp

1.1.3 Tần số của máy phát và phương trình động học của Turbine

Ta có tần số dòng điện của máy phát điện xoay chiều được xác định theo biểu thức:

8

.60

n p

f  (1.2)

Trong đó:

- f: Tần số dòng điện xoay chiều (Hz)

- n: Tốc độ quay của rotor máy phát (v/ph)

- p: Số đôi cực từ của máy phát

Vì số đôi cực p của máy phát không đổi nên muốn bảo đảm tần số dòng điện không đổi ta phải duy trì số vòng quay n của rotor

Rotor của máy phát được nối vào trục của turbine Dưới tác dụng của năng lượng dòng nước, turbine thủy lực quay làm rotor máy phát quay theo Phương trình động lực trên trục turbine máy phát là:

- Mc: Moment cản trên trục turbine máy phát Moment này do ma sát, moment điện

từ …Moment điện từ do dòng điện chạy trong phần ứng của máy phát sinh ra Moment này thay đổi khi phụ tải máy phát thay đổi

- J: Moment quán tính của tổ máy, quy về trục turbine

- ω: Tốc độ góc của trục turbine máy phát

Công suất của turbine thủy lực do dòng nước cung cấp và được xác định bằng biểu thức:

Trong đó:

NTB: Công suất turbine (kW)

η : Hiệu suất sử dụng cột nước của turbine Q: Lưu lượng dòng nước (m3/s)

H: Chiều cao cột nước hiệu dụng (m)

Từ công thức trên ta thấy có thể thay đổi η, Q hay H để điều chỉnh công suất của turbine nhưng tiện lợi và kinh tế nhất là điều chỉnh lưu lượng Q

Lưu lượng Q của một dòng nước qua tiết diện S được xác định theo biểu thức:

Q = v.S (m3/s) (1.6)

H: Độ cao cột nước, đó chính là chênh lệch mực nước hồ với hạ lưu turbine

v : Vận tốc của dòng chảy khi ra khỏi đường ống

11

γ : Trọng lượng riêng của nước

Z1, Z2 :Độ cao mặt đang xét so với mặt chuẩn (Z1 - Z2 = H) Thay vào phương trình [1.8] ta được:

Vòi phun có tác dụng hướng dòng nước đến bánh xe công tác và để điều chỉnh lưu lượng cho phù hợp với yêu cầu phụ tải Trong vòi phun có van kim (kim phun) Nhờ

có cơ cấu điều khiển van kim sẽ di chuyển dọc theo trục làm thay đổi tiết diện miệng vòi, do đó điều chỉnh được lưu lượng

Tóm lại, điều tốc cho turbine thủy lực là điều khiển lưu lượng nước vào turbine

để giữ cho tốc độ quay turbine không đổi khi phụ tải thay đổi

12

1.1.4 Đặc tính điều chỉnh của turbine

Phương trình đặc tính điều chỉnh của turbine biểu diễn mối quan hệ giữa tần số đối với công suất tác dụng của tổ máy như sau:

13

Trong đó:

Δf: Độ lệch tần số tương ứng với độ thay đổi công suất

Pmax: Công suất cực đại của tổ máy

Độ giảm tốc thường xuyên của đặc tính được định nghĩa như sau:

dm

ax

// m

f f Bp

P P





Khi Bp càng nhỏ thì sự tham gia của nhà máy vào quá trình điều tốc càng lớn, tần

số được điều chỉnh càng nhanh

Quá trình điều chỉnh của turbine gồm hai loại: Điều chỉnh sơ cấp và điều chỉnh thứ cấp

a)Điều chỉnh sơ cấp

Điều chỉnh sơ cấp là quá trình tăng lượng nước vào turbine khi tần số giảm Kết thúc quá trình điều chỉnh sơ cấp, tần số máy phát vẫn nhỏ hơn tần số quy định, do lượng công suất phát lên không bù hoàn toàn được độ gia tăng công suất phụ tải Theo đặc tính (H 1.2) thì khi phụ tải tăng, công suất máy phát tăng lên P1 > P0 ,điểm làm việc di chuyển

từ A→ A1 và tần số mới là f1 < fđm Từ công thức trên ta thấy độ gia tăng công suất phát ứng với độ giảm tần số Δf là:

0 ax

/ m

Ở các nhà máy điện, bằng việc điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp, công suất phát của

tổ máy tăng lên để đáp ứng phụ tải và vẫn giữ được tần số ban đầu

Điều chỉnh sơ cấp được thực hiện ở tất cả các nhà máy điện, còn điều khiển thứ cấp chỉ có ở một số nhà máy Điều khiển thứ cấp có thể thực hiện bằng tay hay tự động

Trong thực tế quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp xảy ra đồng thời Khi phụ tải của hệ thống tăng lên tất cả các nhà máy có điều chỉnh tốc độ, tự động tăng công suất phát của mình lên để bù vào phụ tải Sau đó các nhà máy điều tần sẽ tăng công suất phát

để đảm bảo phần phụ tải tăng lên, các nhà máy còn lại vẫn giữ nguyên công suất ban đầu

để hệ thống duy trì ở tần số định mức

1.1.5 Quá trình thay đổi công suất đặt của tổ máy trong nhà máy điện

Mỗi tổ máy của nhà máy thường có khả năng phát nhiều giá trị công suất khác nhau Khi tổ máy đang làm việc, muốn thay đổi lượng công suất phát (chủ động) thì yêu cầu tần số trong quá trình thay đổi đó chỉ được dao động trong phạm vi cho phép Xét quá trình thay đổi công suất từ P1 sang P2 như hình dưới:

P

1' 1"1'''2

Hình 1.4 Quá trình thay đổi công suất đặt của máy phát

Ban đầu điểm làm việc là A ứng với lượng công suất phát ra là P1 Khi có yêu cầu tăng lượng công suất lên P2 thì điểm làm việc không di chuyển ngay sang đường (2) Vì công suất phát ra không thể thay đổi nhảy cấp (do các van không di chuyển tức thời) và tần số chỉ được dao động trong phạm vi cho phép, do đó điểm làm việc di chuyển sang điểm A’ trên đường đặc tính (1’) Công suất của một tổ máy nhỏ hơn nhiều công suất của hệ thống nên lượng gia tăng công suất này làm tần số ít biến đổi Lượng công suất gia tăng khi chuyển sang đặc tính (1’) là ΔP’ Sau đó công suất đặt lại tiếp tục tăng lên, đặc tính turbine dời sang 1”, công suất gia tăn là ΔP” v.v…Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi lượng công suất phát ra đạt được là P2 và đặc tính turbine đổi sang đường (2)

Như vậy quá trình thay đổi công suất phát thực chất là quá trình đặt lại liên tiếp nhiều giá trị công suất kế tiếp nhau Đó là kết quả của quá trình điều chỉnh sơ cấp và thứ cấp của turbine

16

1.2 Tổng quan chung về kỹ thuật điều khiển dòng nước vào turbine

Mỗi loại turbine có một kiểu điều tốc khác nhau Các loại điều tốc thường dùng là: Kiểu van lưỡi gà, kiểu cánh hướng nước, kiểu thùng chụp v.v…

1.2.1 Kiểu van lưỡi gà

Van lưỡi gà đặt ở cửa vào turbine Khi thay đổi vị trí van lưỡi gà, lưu lượng nước vào turbine sẽ thay đổi, do đó thay đổi được công suất turbine Kiểu van này thường dùng cho loại turbine xung kích hai lần Sơ đồ turbine dùng van lưỡi gà như sau

Hình 1.5 Kiểu lưỡi gà

Khi quay tay quay điều khiển (4) thông qua cơ cấu truyền động, van lưỡi gà sẽ quay theo, do đó điều khiển được công suất turbine

Phương pháp điều tốc này đơn giản nhưng hiệu quả thấp

17

1.2.2 Kiểu thùng chụp

Thiết bị điều tốc kiểu thùng chụp được sử dụng với các loại turbine phản kích(kiểu turbine dùng áp lực nước chảy vào buồng turbine để tạo lực quay) Người ta dùng thùng hình trụ bao quanh bộ phận hướng nước Bằng cách dịch chuyển thùng hình trụ lên xuống, lưu lượng nước vào bánh xe công tác sẽ thay đổi

Sơ đồ turbine loại này như hình:

1

2

3

4 5

Hình 1.6 Kiểu thùng chụp

2 Cần điều khiển 5 Bánh xe công tác

3 Thùng chụp Thiết bị điều tốc bằng tay là những thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, vận hành dễ dàng,

18

giá thành rẻ Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm sau:

- Vì phụ tải thay đổi liên tục, do đó để đảm bảo sự cân bằng công suất, giữ tần số

không đổi phải thay đổi liên tục công suất turbine Như vậy người vận hành phải sẵn

sàng điều khiển máy điều tốc khi phụ tải thay đổi

- Do điều khiển bằng tay nên tính tác động nhanh, độ chính xác, …không đảm

bảo, điều đó dẫn đến độ lệch tần số lớn

- Việc điều khiển bằng tay của máy điều tốc sẽ không kịp thời khi phụ tải biến

động lớn có thể gây ra hiện tượng lồng tốc, ghìm turbine, gây ra hư hỏng turbine

1.2.3 Kiểu cánh hướng nước

Đối với loại turbine phản kích, nước từ ống dẫn chảy vào buồng turbine

Sau khi qua cánh hướng dòng, nước sẽ chảy vào bánh xe công tác của turbine làm turbine

quay Do đó, để thay đổi lưu lượng vào bánh xe công tác, người ta thay đổi vị trí cánh

Hình 1.8 Hình vẽ chi tiết kiểu cánh hướng nước

4 Tay đòn

Những thiết bị tham gia vào quá trình điều tốc turbine này gồm:

Vô lăng đặt trên trục điều chỉnh (5), vòng điều khiển (7), tay đòn (4) và thanh kéo (6)

Tất cả các bộ phận nhằm thay đổi vị trí cánh hướng (2) Khi quay vô lăng trên trục (5), thông qua cơ cấu truyền động cánh hướng sẽ quay theo, do đó điều chỉnh được lưu lượng Q Tất cả các cánh hướng có liên động với nhau do đó được đóng mở đồng thời

Phương pháp này có hiệu quả đối với các turbine công suất lớn, đây là phương pháp phổ biến hiện nay

20

1.3 Điều khiển dòng chảy bằng van cánh bướm

Van bướm là một kiểu van khá đặc biệt, nó dùng một cánh quạt tròn chuyển động quay quanh hai điểm tựa để làm cơ cấu chuyển động Cánh van có thể xoay trong khoảng

từ 0 đến 90 độ để thay đổi độ mở van Loại van này có thể đóng mở rất nhanh nên thường dùng để điều khiển lưu lượng môi chất lỏng Khi mở hết dòng chảy vẫn bị cản trở bởi cánh của van Ưu điểm của loại van này là kích thước nhỏ gọn do đó thường lắp đặt ở những nơi bị hạn chế về không gian làm việc

Van cánh bướm thường dùng để điều khiển các loại turbine cỡ trung bình nhỏ (từ 5kW đến vài MW) với hệ thống xy lanh dầu trợ lực đi kèm

Hình 1.9 Van bướm

1.4 Nguyên lý điều tốc turbine nước

1.4.1 Nguyên lý điều khiển trực tiếp - luật điều khiển P(Proportional)

Bộ phận cảm biến tốc độ quay của turbine là con quay ly tâm Vì lực ly tâm tỉ lệ

sẽ lớn hơn số vòng quay ban đầu một ít Trường hợp phụ tải tăng, quá trình điều chỉnh tương tự nhưng theo chiều ngược lại, kết quả là số vòng quay ổn định sẽ nhỏ hơn số vòng quay ban đầu một ít

Máy điều tốc tác động trực tiếp tuy có kết cấu đơn giản nhưng có một số khuyết điểm sau:

+ Lực chuyển động để điều khiển thiết bị điều chỉnh bé nên chỉ dùng cho turbine công suất nhỏ

+ Sự khác nhau giữa số vòng quay ứng với phụ tải khác nhau tương đối lớn Số vòng quay lớn nhất ứng với phụ tải nhỏ nhất còn số vòng quay nhỏ nhất ứng với phụ tải lớn nhất (vì sau khi điều chỉnh, số vòng quay bao giờ cũng khác với số vòng quay ban đầu), do cơ cấu điều chỉnh là khâu tỉ lệ nên có sai số điều chỉnh

+ Hiệu suất của turbine giảm do tổn thất khá nhiều khi chảy qua van phẳng

Để giảm bớt tổn thất thủy lực khi chảy qua cửa van, người ta điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi chiều cao cánh hướng dòng như dùng cửa van hình trụ kiểu thùng chụp bao quanh bộ phận hướng dòng hay nắp turbine có thể di động lên xuống

1.4.2 Nguyên lý điều khiển gián tiếp - luật điều khiển PI(Proportional Intergral)

Để thay đổi độ mở các bộ phận điều chỉnh turbine cở trung bình và lớn, đòi hỏi phải có một lực rất lớn, mạnh đến hàng nghìn kN (tương đương hàng trăm tấn) nên lực

ly tâm do quả lắc sinh ra qua hệ thống đòn không đủ để điều khiển các bộ phận điều chỉnh được Bởi vậy, đối với turbine cở trung bình và lớn và ngay cả đối với phần lớn các turbine nhỏ, người ta dùng máy điều tốc tự động tác động gián tiếp Loại máy này

có kết cấu phức tạp hơn nhiều so với máy điều tốc tác động trực tiếp Giữa quả lắc ly tâm và bộ phận điều chỉnh lưu lượng là hệ thống khuếch đại tín hiệu, gồm van điều phối

và động cơ tiếp lực để tạo nên lực đóng mở các bộ phận điều chỉnh lưu lượng khá lớn

Để hệ thống điều chỉnh ổn định, trong máy điều tốc tác động gián tiếp còn có bộ phận

23

phục hồi Bộ phận phục hồi gồm có hai loại: Phục hồi cứng và phục hồi mềm Sau đây

là sơ đồ nguyên lý làm việc của máy điều tốc tác động gián tiếp có bộ phận phục hồi cứng và mềm

A A' 3

B

B'

C C' 13

Hình 1.11 Máy điều tốc tác động gián tiếp

1 Con lắc ly tâm 7 Trục điều chỉnh

3 Van phân phối 9 Trục turbine

5 Piston của servomotor 11 Cánh tay đòn của bộ phận phục hồi

6 Cần truyền động 12 Thiết bị giảm chấn

13 Lò xo

24

* Nguyên lý làm việc của sơ đồ tác động gián tiếp như sau:

Trên hình 1.10, trục của con quay ly tâm (1) liên hệ với trục turbine nhờ bộ phận truyền động bằng dây cu-roa hay bằng điện Cho nên mọi sự thay đổi về số vòng quay của turbine đều được thể hiện qua số vòng quay của con quay ly tâm Giả sử phụ tải máy phát giảm xuống, lúc đó số vòng quay của máy phát và con quay ly tâm sẽ tăng lên làm cho tải trọng của con quay ly tâm tách ra xa nhau và nâng ống lồng A lên vị trí A’ Trong khi đó vì piston (5) của động cơ tiếp lực chưa chuyển động được (vì không có lực đủ lớn), điểm B coi như vẫn cố định, nên đầu mút C của tay đòn (2) hạ xuống đến C’ Khi đầu mút C hạ xuống, piston của van phân phối (3) cũng bị đẩy xuống và cửa sổ phía dưới của van phân phối mở để cho dầu áp lực chảy vào phía phải của piston (5) của servomotor (4) Piston của servomotor chuyển động sang trái đóng bớt độ mở của cơ cấu hướng nước (hay dịch chuyển kim phun) làm công suất turbine giảm

Nếu sự dịch chuyển của piston servomotor không bị hạn chế thì công suất của turbine đến lúc sẽ bị nhỏ hơn trị số công suất tương ứng với phụ tải của máy phát Do đó

sẽ làm cho vòng quay của turbine giảm xuống nhỏ hơn số vòng quay định mức Qua con lắc ly tâm ống lồng A sẽ hạ xuống còn đầu C lại được nâng lên Cửa số phía trên của van phân phối sẽ được mở ra và dầu áp lực sẽ chảy vào phía trái của piston (5) làm mở rộng cánh hướng nước (mở kim phun) Cứ như thế sẽ xảy ra hiện tượng đóng mở liên tiếp bộ phận hướng nước, điều đó có nghĩa là quá trình điều chỉnh không ổn định Để tránh hiện tượng này cần kịp thời đưa piston của van phân phối về vị trí trung gian Để thực hiện điều đó, bộ phận phục hồi được lắp vào máy điều tốc một hệ thống truyền động tay đòn

Bộ phận phục hồi gồm tay đòn (11), thiết bị giảm chấn (12)

Trường hợp máy điều tốc có bộ phận phục hồi cứng (chỉ có tay đòn 11 chứ không

có bộ phận 12) thì quá trình điều chỉnh có khác Khi cần (6) của piston servomotor

25

chuyển động sang trái, bộ phận hồi phục (11) nâng điểm B lên vị trí B’, đồng thời do ống lồng của con lắc ly tâm khi số vòng quay tăng đang ở vị trí A’ nên điểm C’ cũng được đưa về điểm C Nhờ thế piston của van phân phối trở về vị trí trung gian (cô lập đường dầu khoang đóng và mở) Sau khi van phân phối ngừng làm việc số vòng quay của tổ máy giảm xuống, nhưng vẫn còn lớn hơn số vòng quay ban đầu, do đó có độ không đồng đều của điều chỉnh

nmax : Số vòng quay của tổ máy khi không tải

nmin : Số vòng quay của tổ máy khi đầy tải

Trường hợp máy điều tốc có bộ phận hồi phục mềm thì quá trình điều chỉnh như sau: Khi cần (6) của servomotor dịch chuyển về trái (giảm tải) điểm B nhanh chóng được nâng lên vị trí B’ đồng thời ép lò so (13) lại và đưa piston của van phân phối về vị trí trung gian Sở dĩ điểm B nhanh chóng chuyển được về vị trí B’ là vì qua lỗ khoét nhỏ của piston thiết bị giảm chấn, dầu không kịp chảy từ dưới lên trên và do đó bộ phận hồi phục mềm làm việc như hồi phục cứng Sau đó nhờ lực đẩy của lò so (13), dầu trong

26

thiết bị giảm chấn chảy từ từ, từ dưới lên, chiều dài của bộ phận hồi phục bị giảm làm cho piston phân phối chuyển động về phía tiếp tục đóng bộ phận hướng nước Số vòng quay của tổ máy giảm từ từ đến trị số ban đầu

Điểm B sẽ chuyển động cho đến khi lò xo (13) ở trạng thái tự do Kết thúc quá trình điều chỉnh thì diểm B’ trở về điểm B và ống lồng của con lắc ly tâm ở điểm A Số vòng quay của tổ máy trước và sau khi điều chỉnh vẫn không thay đổi

Quá trình điều chỉnh khi tăng tải cũng xảy ra tương tự như khi giảm tải nhưng các

bộ phận của hệ thống điều chỉnh chuyển động ngược lại

Máy điều tốc vừa xét chỉ thay đổi lưu lượng dòng nước (bằng cánh hướng hay kim phun) gọi là điều tốc đơn Ngoài ra trong thực tế còn có các loại điều tốc kép, vừa điều chỉnh cánh hướng vừa điều chỉnh góc quay cánh turbine (đối với turbine cánh quay), hoặc vừa điều chỉnh kim phun vừa điều chỉnh thiết bị lái dòng (đối với turbine cánh gáo)

27

1.5 Kết luận

Điều tốc turbine là khâu tối quan trọng đối với dòng điện tạo ra Điều tốc cho turbine thủy lực thực chất là điều khiển lưu lượng nước vào turbine để giữ cho tốc độ quay của turbine không đổi khi tải tiêu thụ thay đổi

Các kỹ thuật điều tốc truyền thống gồm có:

 Kiểu van lưỡi gà

 Kiểu thùng chụp

 Kiểu cánh hướng nướcTrong đó, kiểu van lưỡi gà không thể áp dụng cơ chế điểu khiển tự động, kiểu thùng chụp và cánh hướng nước yêu cầu bộ khuếch đại dầu thủy lực khá cồng kềnh và đắt tiền

Một số nhà máy thủy điện nhỏ cỡ 10MW ở Việt Nam áp dụng kiểu điều tốc bằng van cánh bướm nhưng vẫn cần cơ cấu trợ lực để xoay cánh van

Nguyên lý điều khiển van trực tiếp-luật điều khiển P, tác động lên van bằng cơ chế đòn bẩy tạo sai số xác lập đối với độ mở van, Nguyên lý điều khiển gián tiếp luật điều khiển PI, ngoài cơ chế đòn bẩy có thêm cơ chế pittông thủy lực tích phân sai số loại

bỏ được khuyết điểm của nguyên lý điều khiển trực tiếp

Bộ điều khiển tương tự bằng các cơ chế cơ học đã được cải tiến thay thế bằng bộ điều khiển số (điện thủy lực) ở một số nhà máy điện nhỏ ở Việt Nam nhưng vẫn tồn tại

cơ chế khuếch đại dầu thủy lực đắt tiền

Tổng hợp các khảo sát trên hệ thống thủy điện hiện nay, luận văn nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ điều tốc kiểu mới có khả năng áp dụng cho turbine loại nhỏ

Các phần tử cơ bản nằm trong vòng điều khiển, bao gồm:

1) Đầu đo tốc độ quay tua bin, đưa tín hiệu tốc độ vào bộ điều khiển

2) Mạch điều khiển, thực hiện qui luật điều chỉnh PID và đưa ra tín hiệu tác động lên cơ cấu chấp hành để điều khiển độ mở van điều chỉnh

3) Cơ cấu chấp hành (dùng động cơ Servo mini), làm chuyển dịch kim van tỷ

lệ thuận với tín hiệu từ bộ điều khiển

4) Van điều chỉnh (không trục), thay đổi độ mở theo độ chuyển dịch của kim van

29

2.1 Đo tốc độ quay sử dụng Encoder

Encoder dạng chuyển động quay (rotary encoder) còn được gọi là shaft encoder

là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các vị trí góc của trục quay từ giá trị analog sang mã digital Encoder là một dạng thiết bị chuyển đổi (tranducer)

Nguyên tắc hoạt động của Encoder

Gồm một bộ thu phát hông ngoại và một đĩa cho chia lỗ được đặt giữa hệ thống thu phát này Đĩa được gắn trên trục của động cơ hoặc trục chuyển động Quá trình đĩa chuyển động làm cho phần photo sensor thay đổi trạng thái và tạo ra một chuỗi các xung vuông trên đầu ra

Tuỳ theo số lỗ trên đĩa mà số xung tạo ra trong một vòng quay của đĩa khác nhau

Số lượng xung càng lớn nghĩa là số lỗ càng nhiều trên một vòng tròn 360 Nghĩa là tăng khả năng điều khiển chính xác

Encoder dùng để đo tốc độ quay của trục turbine, encoder sẽ đưa tín hiệu ra với

số xung trên 1 đơn vị thời gian tỉ lệ với tốc độ quay của trục turbine Để đạt độ chính xác cao cần đảm bảo tốc độ của trục quay encoder đồng bộ với tốc độ trục quay turbine

2.2 Lập trình bộ điều khiển trên nền vi điều khiển

Bộ Vi điều khiển có khả năng vượt bậc về khả năng tính toán, xử lý, và thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng Vi xử lý bao gồm các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau, các khối này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này cùng liên kết với vi xử lý để thực hiện được công việc

Vi điều khiển là một hệ máy tính hoàn chỉnh với CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển ngắt được tích hợp bên trong mạch

Với cấu tạo khả năng xử lí vi điều khiển, đủ khả năng đáp ứng được yêu cầu điều khiển của bộ điều tốc

30

2.3 Van điểu khiển không trục

Vào năm 2010 tác giả Nguyễn Văn Mạnh, với mong muốn khắc phục các nhược điểm của van truyền thống như: như năng lượng phụ trợ điều khiển lớn, cơ cấu khuếch đại cồng kềnh phức tạp, giá thành cao… ,đã công bố sản phẩm loại van mới[18](Hình 2.2) có thể khắc phục các nhược điểm trên của van truyền thống

Hình 2.2 Mặt cắt bổ dọc của van không trục

Van điều khiển[18] do tác giả N.V.Mạnh đề xuất làm việc theo nguyên lý trượt bám, tận dụng giáng áp của dòng môi chất để tác động lên phần pitton của van, chính vì

31

vậy chỉ cần một lực nhỏ có thể điều khiển van và lực này không phụ thuộc vào áp suất của môi chất Qua các kết quả thử nghiệm về độ tác động nhanh của van với các cơ cấu chấp hành khí nén và cơ cấu chấp hành điện-từ cho thấy tốc độ phản ứng của van hầu như tức thời và chỉ số đồng hồ áp suất thay đổi cùng với tốc độ chuyển dịch của màng khí nén của cơ cấu chấp hành khí nén hay dòng điện của cơ cấu chấp hành kiểu điện từ[18] Độ tác động nhanh của van càng rõ khi điều khiển van bằng tay Dòng nước chảy

ra và thay đổi tức thời theo nhịp thay đổi của ti van bằng tay Thực nghiệm cũng cho thấy,các sản phẩm van trượt bám tác động nhanh gấp nhiều lần so với các loại van truyền thống[23]

Ưu điểm chủ yếu của van trượt bám:

 Lực điều khiển van từ bên ngoài nhỏ

Hình 2.3 Đường cong đặc tính động của van điều khiển không trục

32

2.4 PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VAN KHÔNG TRỤC

2.4.1 Các phương án chế tạo cơ cấu điều khiển van không trục

Phần thân van đã được tác giả Nguyễn Văn Mạnh chế tạo thành công và thí nghiệm ban đầu hoạt động có hiệu quả tốt Yêu cầu đặt ra là thiết kế một bộ phận điều khiển ghép nối với thân van lấy tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển van Do đặc điểm của kiểu van điều khiển mới nói trên là chỉ cần một lực điều khiển rất nhỏ từ bên ngoài cho nên đối với kiểu van này có thể sử dụng bộ phẩn điều khiển van kiểu điện từ đóng mở nhờ lực điện từ của nam châm hoặc kiểu điện cơ đóng mở nhờ động cơ điện và

cơ cấu truyền lực Ưu điểm của hai bộ phận điều khiển van này là phù hợp để truyền tín hiệu điều khiển từ PLC (tín hiệu điện áp một chiều) đến van Mặt khác cơ cấu này nhỏ gọn, dễ chế tạo và tiêu tốn ít năng lượng điện so với các van điều khiển truyền thống

2.4.1.1 Bộ phận điều khiển van kiểu điện từ

Bộ phận điều khiển van kiểu điện từ có thẻ dùng kiểu cuộn dây nam châm điện (solenoid) hoặc kiểu nam châm vĩnh cửu tạo từ trường đều

a) Kiểu sử dụng cuộn dây nam châm điện[21].

Kiểu cuộn dây nam châm điện là sử dụng một cuộn dây dẫn điện đặt trong một mạch từ, khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ hút phần ứng đặt trong lòng cuộn dây, phần ứng sẽ được nối với ti van để tạo chuyển động cho nắp van, lực phản kháng với lực hút điện từ là lực của lò xo

33

Hình 2.4 Bộ phận điều khiẻn van sử dụng kiểu cuộn dây nam châm điện

Khi điện áp cấp cho cuộn dây thay đổi thì lực hút điện từ cũng thay đổi Ví dụ khi điện áp cấp cho cuộn dây tăng thì lực hút điện từ cũng tăng, khi đó lực này sẽ lớn hơn lực phản kháng của lò xo làm cho phần ứng sẽ dịch chuyển, lò xo bị nén nhiều hơn nên lực phản kháng của lò xo cũng tăng cho đến khi cân bằng với lực điện từ thì phần ứng cân bằng ở vị trí mới Như vậy ty van được nối với phần ứng cũng sẽ dịch chuyển làm thay đổi độ mở của van

Do từ trường tạo ra bởi cuộn dây nam châm điện không phải là từ trường đều nên điện áp cấp vào cuộn dây và lực điện từ là không tỷ lệ thuận với nhau

Nếu sử dụng các lò xo có biên dạng thẳng thường sử dụng trong thực tế thì theo định luật HÚC Flx = k.x, k là độ cứng của lò xo, x là độ dịch chuyển của đầu lò xo Mặt khác Flx = Fdt > điện áp cấp vào cuộn dây và độ dịch chuyển của đầu lò xo là không tỷ

lệ thuận với nhau

Để khắc phục nhược điểm trên thì phải dùng lò xo có biên dạng đặc biệt thay cho biên dạng thẳng