Điều Khiển Tốc Độ Của Máy Turbine Thủy Điện

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Điều khiển huyển động của máy điều tốc turbine thuỷ điện, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Độc Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Liên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Tốc Độ Máy Turbine Thủy Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về nhà máy thủy điện
• 1.2. Tình hình phát triển thủy điện
• 1.3. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thủy điện
• 1.4. Phân loại nhà máy thủy điện
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TUABIN
• 2.1. Khái niệm chung
• 2.2. Phân loại các tuabin
• 2.2.1. Tuabin phản kích
• 2.2.2. Tuabin hướng trục
• 2.2.3. Tuabin hướng chéo
• 2.2.4. Tuabin xung lực
• 2.2.5. Tuabin tia nghiêng
• 2.3. Cấu tạo tuabin Kaplan
• 2.3.1. Buồng tuabin
• 2.3.2. Bé phân hướng nước
• 2.3.3. Bánh xe cánh tác tuabin
• 2.3.4. Các bé phân phối của tuabin
• 2.3.5. Các thông số đặc tính tính tuabin
• 2.3.6. Đường kính bánh xe cánh tác và số vòng quay của tuabin
• 2.4. Hệ thống điều chỉnh tuabin nước
• 2.4.1. Các yêu cầu với hệ điều tiết tuabin
• 2.4.2. Đặc điểm của hệ điều chỉnh tuabin
• 2.4.3. Đặc tính của hệ điều chỉnh tuabin
• 2.4.4. Phân loại bé điều tiết
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TIẾT TUABIN
• 3.1. Khâu khuếch đại
• 3.2. Tổng hợp hệ thống
• 3.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí
• 3.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
• 3.5. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh Turbine
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BÉ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỀU TỐC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA32 CỦA ATMEL
• 4.1. Phương pháp điện tử số và kỹ thuật vi xử lý
• 4.2. Vi điều khiển Atmel Atmega32
• 4.3. Xây dựng phần cứng
• 4.4. Sơ đồ nguyên lý Khối MCU, nạp ISP và truyền thông RS232
• 4.5. Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LED
• 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối biến đổi D/A
• 4.7. Chương trình trên Atmega32
• 4.8. Phần mềm giao tiếp máy tính bằng Visual Basic 6
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện

Nghiên cứu điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện là một lĩnh vực quan trọng trong ngành năng lượng. Máy turbine thủy điện đóng vai trò chủ chốt trong việc chuyển đổi năng lượng nước thành điện năng. Việc điều khiển tốc độ của máy turbine không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động mà còn quyết định đến độ ổn định của hệ thống điện. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

1.1. Định nghĩa và vai trò của máy turbine thủy điện

Máy turbine thủy điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học từ dòng nước thành năng lượng điện. Chúng thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện lớn, nơi có nguồn nước dồi dào. Hiệu suất của máy turbine ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng điện của nhà máy.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ turbine thủy điện

Công nghệ turbine thủy điện đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20. Các loại turbine như Kaplan, Francis và Pelton đã được cải tiến để nâng cao hiệu suất và khả năng điều khiển. Sự phát triển này đã giúp tăng cường khả năng khai thác năng lượng từ nguồn nước.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện

Điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện gặp nhiều thách thức do sự biến đổi của lưu lượng nước và áp lực. Các yếu tố như thay đổi thời tiết, mùa vụ và nhu cầu tiêu thụ điện đều ảnh hưởng đến hoạt động của turbine. Việc duy trì tốc độ ổn định là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu và an toàn cho hệ thống.

2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến tốc độ turbine

Lưu lượng nước là yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ quay của turbine. Khi lưu lượng nước giảm, tốc độ turbine cũng sẽ giảm, dẫn đến giảm sản lượng điện. Ngược lại, khi lưu lượng tăng, turbine có thể quay quá nhanh, gây ra nguy cơ hư hỏng.

2.2. Thách thức trong việc duy trì ổn định tốc độ

Việc duy trì tốc độ ổn định trong điều kiện thay đổi lưu lượng nước là một thách thức lớn. Các hệ thống điều khiển hiện tại cần phải được cải tiến để đáp ứng nhanh chóng với các biến đổi này, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.

III. Phương pháp điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện hiệu quả

Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện, bao gồm điều khiển tự động và điều khiển bằng tay. Các công nghệ hiện đại như điều khiển PID và điều khiển mờ đang được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất. Việc sử dụng các cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong quá trình điều khiển.

3.1. Công nghệ điều khiển PID trong turbine thủy điện

Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển tốc độ máy turbine. Phương pháp này giúp duy trì tốc độ ổn định bằng cách điều chỉnh đầu vào dựa trên sai số giữa tốc độ thực tế và tốc độ mong muốn.

3.2. Ứng dụng của công nghệ điều khiển mờ

Công nghệ điều khiển mờ cho phép xử lý các biến đổi không chắc chắn trong hệ thống. Bằng cách sử dụng các quy tắc mờ, hệ thống có thể đưa ra quyết định điều khiển linh hoạt hơn, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của turbine.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu trong điều khiển turbine

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể nâng cao hiệu suất của máy turbine thủy điện. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy sự cải thiện đáng kể trong việc duy trì tốc độ ổn định và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển có thể giúp tăng cường hiệu suất tổng thể của nhà máy thủy điện.

4.1. Kết quả từ các dự án nghiên cứu thực tế

Nhiều dự án nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển mới. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ điều khiển PID và mờ đã giúp tăng cường hiệu suất và độ ổn định của turbine.

4.2. Tác động đến hiệu suất năng lượng

Việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển không chỉ giúp duy trì tốc độ ổn định mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Điều này có tác động tích cực đến hiệu suất tổng thể của nhà máy thủy điện, góp phần vào việc phát triển bền vững.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu điều khiển turbine thủy điện

Nghiên cứu điều khiển tốc độ máy turbine thủy điện đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh phát triển năng lượng bền vững. Các công nghệ mới và phương pháp điều khiển hiện đại hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục tập trung vào việc phát triển các giải pháp tối ưu hơn để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ điều khiển

Công nghệ điều khiển trong lĩnh vực turbine thủy điện đang phát triển nhanh chóng. Các xu hướng mới như trí tuệ nhân tạo và học máy đang được nghiên cứu để cải thiện khả năng điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu bền vững

Nghiên cứu điều khiển turbine thủy điện không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đóng góp vào việc phát triển bền vững. Việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo là cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hệ thống mạng lưới sông ngòi dày đặc với 124 hệ thống sông và 2860 con sông có chiều dài trên 10 km, mang lại trữ năng thủy điện lý thuyết đạt 271,3 tỷ kWh/năm cùng trữ năng kỹ thuật ước tính khoảng 90 tỷ kWh/năm. Thủy điện đóng vai trò then chốt khi chiếm tới 60% tổng công suất của hệ thống điện quốc gia, cung cấp nguồn năng lượng tái tạo sạch với giá thành sản xuất thấp hơn nhiều so với nhiệt điện. Tuy nhiên, sự biến động liên tục của phụ tải tiêu thụ cùng với tính chất phi tuyến phức tạp của dòng chảy thủy lực đặt ra thách thức nghiêm trọng đối với việc duy trì chất lượng điện năng, đặc biệt là yêu cầu khống chế độ sai lệch tần số không được vượt quá 0,2% so với tần số định mức 50 Hz.

Mục tiêu cụ thể của công trình là nghiên cứu cấu trúc động học, tổng hợp hệ thống điều khiển tự động và thiết kế chế tạo bộ điều tốc kỹ thuật số cho turbine thủy điện sử dụng vi điều khiển ATmega32 kết hợp giao diện giám sát trên máy tính. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nhà máy thủy điện quy mô vừa và lớn tại Việt Nam trong giai đoạn 2006 đến 2008, điển hình như các tổ máy tại Thác Bà (108 MW), Trị An (400 MW), Yaly (720 MW) và Hòa Bình (1920 MW).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc tối ưu hóa hiệu suất tổ máy trong dải từ 92% đến 96%, đảm bảo tính ổn định động học khi phụ tải đột biến và nâng cao năng lực tự chủ công nghệ điều khiển tổ máy phát điện thủy lực trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa Lý thuyết cơ học chất lỏng thủy khí và Lý thuyết điều khiển tự động nhiều vòng lặp. Cấu trúc mô hình nghiên cứu bao gồm mô hình toán học cân bằng mô men quay của tổ máy phát điện đồng bộ với phương trình chuyển động cơ bản biểu diễn mối quan hệ giữa mô men dẫn động của turbine và mô men cản điện từ của lưới điện.

Khung phân tích tập trung vào các khái niệm cốt lõi:

• Tần số đồng bộ của lưới điện được xác định theo số đôi cực từ và tốc độ quay rotor của máy phát điện.
• Công suất hữu ích và lưu lượng dòng chảy qua bánh xe công tác phụ thuộc vào cột áp công tác, độ mở góc cánh hướng và góc đặt cánh turbine.
• Đặc tính điều chỉnh cơ học phi tuyến biểu thị mối quan hệ phụ thuộc giữa độ mở cánh hướng và công suất tải khi giữ nguyên cột áp.
• Hệ thống trợ động điện - thủy lực sử dụng áp suất dầu nén từ 0,6 MPa đến 0,8 MPa để dịch chuyển piston cơ cấu truyền động cánh hướng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật thực tế từ các nhà máy thủy điện tiêu biểu của Việt Nam, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN 5090 và các tài liệu chuyên ngành về thiết bị cơ điện thủy lực. Quá trình phân tích áp dụng phương pháp giải tích hàm truyền kết hợp mô phỏng số trên phần mềm Matlab Simulink và thực nghiệm đo kiểm trên bo mạch phần cứng. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt trong thời gian 24 tháng thuộc khóa đào tạo cao học 2006 đến 2008 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Cỡ mẫu khảo sát gồm 12 kịch bản vận hành mô phỏng và thử nghiệm thực tế trên hệ vi điều khiển ở các mức tải từ 0% đến 100% công suất danh định. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm bao phủ đầy đủ các trạng thái làm việc: khởi động không tải, mang tải độc lập, hòa lưới song song và cắt tải sự cố đột ngột. Lý do lựa chọn mô phỏng Simulink kết hợp chế tạo thử nghiệm phần cứng vi điều khiển ATmega32 là nhằm xác thực độ chính xác của thuật toán điều khiển số trong môi trường an toàn trước khi kết nối truyền thông nối tiếp RS232 với giao diện máy tính, giúp loại bỏ hoàn toàn nguy cơ mất ổn định cơ học trên các tổ máy công suất lớn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích toán học và mô phỏng thực nghiệm đã đem lại những phát hiện quan trọng:

• Thứ nhất, hàm đặc tính điều chỉnh độ mở cánh hướng theo công suất mang bản chất phi tuyến rõ rệt. Khi công suất phát hữu ích bằng 0, độ mở cánh hướng tối thiểu vẫn phải duy trì khoảng 6% đến 8% nhằm bù đắp các tổn thất cơ khí và duy trì lưu lượng không tải ban đầu.
• Thứ hai, trên mô hình mô phỏng hệ thống điều tốc hai mạch vòng trên Matlab Simulink, thời gian quá độ của tốc độ quay rotor khi thay đổi phụ tải 30% chỉ mất khoảng 1,2 giây đến 1,5 giây; độ quá điều chỉnh giảm xuống dưới 4,0%, qua đó giữ vững độ lệch tần số nằm trong phạm vi cho phép dưới 0,2%.
• Thứ ba, hệ thống phần cứng điều khiển nhúng sử dụng vi điều khiển 8-bit ATmega32 kết hợp khối biến đổi số sang tương tự D/A và giao thức truyền thông RS232 đạt tốc độ truyền chuẩn 9600 baud, thời gian trễ đáp ứng dữ liệu đo lường về máy tính điều khiển trung tâm dưới 50 ms với tỷ lệ sai lệch truyền tin thực tế dưới 0,05%.
• Thứ tư, hiệu suất khai thác năng lượng của turbine cánh quay được duy trì tối ưu trong khoảng 92% đến 96% nhờ sự phối hợp đồng bộ giữa góc mở cánh hướng và góc nghiêng cánh bánh xe công tác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự biến động tốc độ góc của rotor là do sự mất cân bằng tức thời giữa mô men động lực của dòng nước và mô men cản điện từ của phụ tải tiêu thụ. Khi phụ tải tăng, tốc độ quay của máy phát sụt giảm; việc điều chỉnh kịp thời cơ cấu servo thủy lực giúp tăng lưu lượng nước vào buồng xoắn có thể tích từ 8000 đến 10000 m3 để tái lập trạng thái cân bằng công tác mới.

So với các bộ điều tốc cơ học và thủy lực truyền thống vốn có độ trễ lớn và sai số tĩnh cao từ 10% đến 15%, giải pháp tích hợp vi điều khiển ATmega32 kết hợp phần mềm giám sát Visual Basic 6.0 giúp rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ khoảng 35% và loại bỏ hoàn toàn độ trôi điểm làm việc.

Dữ liệu mô phỏng động học quá độ có thể được trình bày một cách trực quan qua biểu đồ đáp ứng thời gian của góc mở cánh hướng và tốc độ rotor trên Matlab Simulink, kết hợp với bảng ma trận thông số hiệu chỉnh mạch vòng khuếch đại hiển thị trực tiếp trên giao diện màn hình máy tính.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp mang tính hành động cao được khuyến nghị triển khai:

1. Chuẩn hóa quy trình cài đặt thông số điều tốc: Cục Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và các công ty thủy điện cần ban hành quy chuẩn kiểm định định kỳ 12 tháng một lần đối với hệ thống điều tốc, đảm bảo độ sai lệch tần số của toàn bộ các tổ máy phát luôn khống chế dưới 0,2%.
2. Nâng cấp hệ thống điều khiển sang nền tảng kỹ thuật số: Ban quản lý các nhà máy thủy điện có công suất vừa từ 15 MW đến 100 MW cần tiến hành thay thế các bộ điều tốc cơ - thủy lực cũ bằng các bộ điều khiển số lập trình được trong lộ trình 24 tháng, hướng tới nâng hiệu suất vận hành tổ máy đạt từ 94% đến 96%.
3. Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi và mờ: Các viện nghiên cứu chuyên ngành tự động hóa nên nghiên cứu tích hợp giải thuật mờ lai vào bộ điều khiển vi xử lý trong thời hạn 18 tháng, nhằm giảm 25% độ quá điều chỉnh khi xảy ra sự cố cắt tải khẩn cấp.
4. Hiện đại hóa giao thức kết nối công nghiệp: Đơn vị vận hành hệ thống SCADA cần nâng cấp cổng truyền thông từ chuẩn nối tiếp RS232 lên mạng truyền thông công nghiệp Ethernet hoặc Modbus TCP/IP trong vòng 6 tháng, đảm bảo tốc độ cập nhật tín hiệu dưới 10 ms và độ tin cậy truyền dữ liệu đạt trên 99,9%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn này cung cấp giá trị học thuật và giải pháp ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư vận hành tại các nhà máy thủy điện: Nắm vững nguyên lý động học của turbine (Kaplan, Francis, Pelton) và cấu trúc van servo dầu áp lực để vận hành an toàn tổ máy, ngăn ngừa sự cố quay lồng tốc khi xảy ra hiện tượng mất tải đột ngột.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và tự động hóa: Sử dụng sơ đồ nguyên lý phần cứng vi điều khiển ATmega32, mạch biến đổi D/A, mạch nạp ISP và mã nguồn giao tiếp Visual Basic 6.0 làm tài liệu tham khảo để phát triển các thiết bị điều khiển công nghiệp thực tế.
• Học viên cao học và giảng viên ngành Tự động hóa: Khai thác mô hình toán học và phương pháp tổng hợp mạch vòng vị trí - tốc độ trên Matlab Simulink làm học liệu giảng dạy và mở rộng nghiên cứu sang các hệ thống năng lượng tái tạo.
• Cán bộ quản lý kỹ thuật và tư vấn năng lượng: Ứng dụng các tiêu chuẩn phân loại theo TCVN 5090 để lập báo cáo khả thi, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong các dự án cải tạo và xây mới nhà máy thủy điện.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc điều khiển máy điều tốc turbine lại quyết định trực tiếp đến chất lượng điện lưới?
Tần số điện lưới phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ quay rotor của máy phát đồng bộ theo công thức tần số tỷ lệ với số vòng quay. Khi phụ tải biến động, nếu bộ điều tốc không can thiệp kịp thời vào lưu lượng nước, tốc độ quay sẽ lệch chuẩn, gây sai lệch tần số vượt ngưỡng 0,2% và có nguy cơ làm mất ổn định toàn hệ thống điện.

Sự khác biệt cơ bản giữa điều khiển turbine cánh quay Kaplan và turbine tâm trục Francis là gì?
Turbine Francis điều chỉnh lưu lượng nước thông qua một thông số duy nhất là góc mở cánh hướng ở cột áp từ 30 m đến 600 m. Ngược lại, turbine Kaplan làm việc ở cột áp thấp dưới 40 m sử dụng cơ chế điều chỉnh kép, thay đổi đồng thời cả góc mở cánh hướng và góc đặt cánh bánh xe công tác để duy trì hiệu suất trên 92%.

Vi điều khiển ATmega32 đóng vai trò gì trong hệ thống điều tốc số?
Vi điều khiển ATmega32 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi tốc độ và vị trí, thực hiện thuật toán điều khiển số, xuất tín hiệu điều khiển tương tự qua khối D/A tới van servo thủy lực và truyền dữ liệu thời gian thực lên máy tính giám sát với tốc độ 9600 baud.

Hiện tượng quay lồng tốc của turbine là gì và hệ thống xử lý như thế nào?
Quay lồng tốc là hiện tượng tốc độ quay của rotor tăng vọt nguy hiểm khi phụ tải bị ngắt đột ngột trong khi nước vẫn chảy vào bánh xe công tác. Hệ thống bảo vệ sẽ lập tức kích hoạt van phá chân không và hệ thống piston dầu áp lực từ 0,6 MPa đến 0,8 MPa để đóng nhanh toàn bộ cánh hướng nước.

Làm thế nào để phân chia phụ tải giữa các tổ máy phát thủy điện làm việc song song?
Các tổ máy làm việc song song được cài đặt đường đặc tính tĩnh có độ dốc nhất định. Tổ máy nào có đường đặc tính dốc hơn sẽ tự động tiếp nhận lượng biến động tải nhỏ hơn, giúp hệ thống phân phối tỷ lệ công suất phù hợp như 50%, 30% và 20% tùy theo công suất định mức của từng máy.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp thành công mô hình toán học hoàn chỉnh cho hệ thống điều tốc turbine thủy lực bao gồm các mạch vòng điều chỉnh vị trí và điều chỉnh tốc độ góc.
• Thiết kế và chế tạo thành công bo mạch điều khiển số sử dụng vi điều khiển ATmega32 kết hợp phần mềm giao diện Visual Basic 6.0 qua cổng truyền thông RS232.
• Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink khẳng định tính ổn định động học của hệ thống với thời gian quá độ dưới 1,5 giây và độ sai lệch tần số luôn nằm trong giới hạn 0,2%.
• Đóng góp giải pháp công nghệ tự chủ, chi phí thấp, ứng dụng hiệu quả cho việc nâng cấp các nhà máy thủy điện có công suất từ 15 MW đến 100 MW.
• Định hướng lộ trình nghiên cứu tiếp theo trong 12 đến 24 tháng nhằm tích hợp giải thuật mờ Fuzzy-PID và giao thức mạng công nghiệp tốc độ cao.

Nghiên cứu này là tài liệu tham khảo toàn diện cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa nhà máy điện. Hãy kết nối với các nhóm chuyên gia công nghệ để triển khai ứng dụng các giải pháp điều tốc tiên tiến vào thực tế sản xuất nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống năng lượng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NguyÔn ®øc quang ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN HÀ NỘI - 2008 17057205049171000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NguyÔn ®øc quang ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY ĐIỀU TỐC TURBINE THỦY ĐIỆN Chuyªn ngµnh : tù ®éng ho¸ Ngêi híng dÉn khoa häc : Pgs.nguyÔn v¨n liÔn HÀ NỘI - 2008 Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan b¶n luËn v¨n nµy ®îc thùc hiÖn bëi chÝnh b¶n th©n m×nh díi sù híng dÉn cña PGS. NguyÔn V¨n LiÔn cïng víi c¸c tµi liÖu ®· ®îc trÝch dÉn trong phÇn tµi liÖu tham kh¶o ë phÇn cuèi b¶n luËn v¨n. Hµ Néi, ngµy 31 th¸ng 10 n¨m 2008 Häc viªn: NguyÔn §øc Quang NguyÔn §øc Quang Tù ®éng ho¸ 06-08 môc lôc Lêi cam ®oan. 4 ch¬ng 1 tæng quan .Tæng quan vÒ nhµ m¸y thuû ®iÖn .T×nh h×nh ph¸t triÓn thuû ®iÖn.

Nguyªn lý ho¹t ®éng chung cña nhµ m¸y thuû ®iÖn. Ph©n lo¹i nhµ m¸y thuû ®iÖn. CÊu t¹o nhµ m¸y thuû ®iÖn .HÖ ®iÒu khiÓn c«ng suÊt nhµ m¸y thuû ®iÖn. 18 Ch¬ng II CÊu tróc vµ HÖ ®iÒu chØnh tuabin .1 Kh¸i niªm chung .Ph©n lo¹i c¸c tuabin.

Tuabin ph¶n kÝch .Tuabin híng trôc. Tuabin híng chÐo .Tuabin xung lùc.Tuabin tia nghiªng. CÊu t¹o tuabin KapLan .Buång tuabin. Bé phËn híng níc.

B¸nh xe c«ng t¸c tuabin. C¸c bé phËn phô cña tuabin. C¸c th«ng sè ®Æc tÝnh tÝnh tuabin. §êng kÝnh b¸nh xe c«ng t¸c vµ sè vßng quay cña tuabin.

HÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin níc. C¸c yªu cÇu víi hÖ ®iÒu tèc tuabin. §Æc ®iÓm cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin. §Æc tÝnh cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin.

Ph©n lo¹i bé ®iÒu tèc. 44 NguyÔn §øc Quang 2 Tù ®éng ho¸ 06-08 2. CÊu tróc cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin níc. TÝnh to¸n th«ng sè chÝnh cña ®iÒu tèc Turbine.

53 Ch¬ng III Tæng hîp hÖ thèng ®iÒu tèc tuabin .Kh©u khuyÕch ®¹i.Tæng hîp hÖ thèng. Tæng hîp m¹ch vßng vÞ trÝ .Tæng hîp m¹ch vßng ®iÒu chØnh tèc ®é .M« pháng hÖ thèng ®iÒu chØnh Turbine. 69 ch¬ng 4 x©y dùng bé ®iÒu khiÓn m¸y ®iÒu tèc sö dông vi ®iÒu khiÓn atmega32 cña atmel.Ph¬ng ph¸p ®iÖn tö sè vµ kü thuËt vi xö lý. vi ®iÒu khiÓn atmel atmega32 .x©y dùng phÇn cøng.

S¬ ®å nguyªn lý Khèi MCU, n¹p ISP vµ truyÒn th«ng RS232.S¬ ®å nguyªn lý khèi hiÓn thÞ LED.S¬ ®å nguyªn lý khèi biÕn ®æi D /A :.Ch¬ng tr×nh trªn Atmega32 .PhÇn mÒm giao tiÕp m¸y tÝnh b»ng Visual Basic 6. 92 Tµi liÖu tham kh¶o. 94 TiÕng ViÖt. 94 TiÕng Anh .95 Ch¬ng tr×nh viÕt trªn Atmega32 b»ng CodeVisionAVR .106 Ch¬ng tr×nh giao tiÕp m¸y tÝnh b»ng Visual Basic 6.

106 NguyÔn §øc Quang 3 Tù ®éng ho¸ 06-08 Tãm t¾t néi dung luËn v¨n Tªn ®Ò tµi : §iÒu khiÓn chuyÓn ®éng cña m¸y ®iÒu tèc turbine thuû ®iÖn LuËn v¨n nghiªn cøu c¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n nh sau : Nghiªn cøu tæng quan vÒ m¸y ph¸t ®iÖn, nhµ m¸y thuû ®iÖn, tuabin thuû, c¸c thiÕt bÞ thuû lùc, c¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu tèc tuabin thuû. C¸c lo¹i tuabin thuû : Tuabin ph¶n kÝch, tuabin híng trôc, tuabin t©m trôc, tuabin híng chÐo, tuabin xung lùc, tuabin g¸o, tuabin tia nghiªng, tuabin t¸c dông kÐp, tuabin Kaplan. C¸c th«ng sè vµ ®Æc tÝnh cña tuabin, cét ¸p tuabin, lu lîng tuabin, c«ng suÊt, hiÖu suÊt, ®êng kÝnh b¸nh xe c«ng t¸c, sè vßng quay cña tuabin. HÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin níc : C¸c yªu cÇu ®èi víi hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin níc, ®Æc ®iÓm cña hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin, ®Æc tÝnh cña hÖ ®iÒu chØnh tuabin, c¸c bé ®iÒu tèc gi¸n tiÕp, trùc tiÕp.

Nghiªn cøu nguyªn lý, tÝnh to¸n c¸c th«ng sè chÝnh cña bé ®iÒu tèc tuabin, c¸c th«ng sè ®Æc trng, c¸nh híng, ®éng c¬ secvo vµ côm b¬m, ®éng c¬ tiÕp lùc, thiÕt bÞ dÇu ¸p lùc. Tæng hîp hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin: M« h×nh to¸n häc cña hÖ thèng, c¸c kh©u trong hÖ thèng ®iÒu tèc tuabin , kh©u ®o tÝn hiÖu, kh©u khuyÕch ®¹i, ®o vÞ trÝ, kh©u ®o tèc ®é, tÇn sè. Tæng hîp c¸c m¹ch vßng ®iÒu chØnh, m¹ch vßng ®iÒu chØnh vÞ trÝ, m¹ch vßng ®iÒu chØnh tèc ®é, x©y dùng s¬ ®å cÊu tróc vµ m« pháng hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin b»ng phÇn mÒm Matlab Simulink. HiÖu chØnh c¸c th«ng sè cña bé ®iÒu tèc ®Ó ®¹t ®îc c¸c chØ tiªu nh mong muèn.

Sau khi nghiªn cøu lý thuyÕt tæng quan, tæng hîp hÖ thèng vµ x©y dùng ®îc c¸c bé ®iÒu khiÓn ®¹t ®îc c¸c chØ tiªu ®Ò ra, luËn v¨n nghiªn cøu x©y dùng hÖ thèng ®iÒu tèc tuabin dïng vi ®iÒu khiÓn Atmega32 cña Atmel víi c¸c néi dung chÝnh nh sau : - X©y dùng phÇn cøng cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn. - X©y dùng phÇn mÒm trªn Atmega32 - X©y dùng phÇn mÒm giao tiÕp m¸y tÝnh b»ng Visual Basic. LuËn v¨n ®· hoµn thµnh viÖc nghiªn cøu lý thuyÕt tæng quan, m« pháng hÖ thèng ®¹t ®ù¬c c¸c chØ tiªu ®ång thêi më ra mét híng nghiªn cøu ph¸t triÓn nh»m môc ®Ých x©y dùng c¸c bé ®iÒu tèc tuabin øng dông vµo thùc tÕ. sum up of the composition contents by English Title of Compostion : Control machine hydro turbine speed Composition research for machine of generator electrical, hydro power station, hydro turbine, equipment hydro machine, methods control speed of hydro turbine.

The kinds of hydro turbine : axial hydro turbine, centripetal hydro turbine, conter attack hydro turbine, diper hydro turbine, turn sideways hydro turbine, Kaplan hydro turbine, acror hydro turbine. The parameter and property of hydro turbine, pressure of column water, discharge of turbine, power, performance of turbine. Controller hydro turbine system, requirements in control hydro turbine speed, property, direct hydro turbine speed control, indirect hydro turbine speed control. Rerearch for principle, calculator main parameters of department hydro turbine control speed, special parameters, blade water, secvor motor and pump department, equipments pressure, strength motor, petroleum pressure.

Synthetization hydro turbine control speed system, model math parameter of system. The componentor of measure sign, amplifier componentor, position componentor, speed componentor, frequence componentor. Synthetization circle control, circle position control, circle speed control, build struction and reproduce system control by Matlab Simulink software, adjustment the parameters to reach standard system. Designed components position and speed control with Atmega32 micro controller of Atmel Corpozation : - Designed hardware for Aplication - Designed software for Aplication - Interface with Computer by RS232 USART.

Composition had finished research theoretics and reproduce. This system had reached standard controls and open ways to research for application in the future of hydro turbine speed controller. Lêi nãi ®Çu Tuabine thñy lµ thiÕt bÞ quan träng trong nhµ m¸y thñy ®iÖn, viÖc ®iÒu chØnh tèc ®é tuabine thñy ®iÖn quyÕt ®Þnh c¸c chØ tiªu kü thuËt cña nhµ m¸y ®iÖn, kh¶ n¨ng æn ®Þnh tÇn sè, cña m¸y ph¸t. Thùc tÕ ®· cã nhiÒu nghiªn cøu vÒ tuabine thñy vµ c¸c ph¬ng ph¸p ®iÒu tèc tuabine thñy.

Trong ph¹m vi ®å ¸n nµy, t«i tËp trung nghiªn cøu lý luËn tæng quan, ph¬ng ph¸p thiÕt kÕ , x©y dùng bé ®iÒu tèc tuabine thñy ®iÖn,. vµ ®a ra ph¬ng ¸n thiÕt kÕ bé ®iÒu tèc sö dông vi ®iÒu khiÓn Atmega32 cña h·ng Atmel. Trong thêi gian kh«ng dµi, ®å ¸n ®· ®îc hoµn thµnh c¸c yªu cÇu ®Æt ra khi tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu tèc tuabine thñy ®iÖn. X©y dùng ®îc hÖ thèng ®iÒu khiÓn sö dông vi ®iÒu khiÓn Atmega32 víi ®Çy ®ñ c¸c chøc n¨ng, ®ång thêi nghiªn cøu, ph¸t triÓn kh¶ n¨ng qu¶n lý, thu thËp d÷ liÖu vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh.

LuËn v¨n gåm 2 phÇn liªn quan chÆt chÏ víi nhau, phÇn 1 nghiªn cøu x©y dùng hÖ thèng ®iÒu chØnh tuabin thuû lùc vµ phÇn 2 nghiªn cøu øng dông Vi ®iÒu khiÓn Atmega32 cña h·ng Atmel ®Ó thiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn. Toµn bé luËn v¨n ®îc chia thµnh 4 ch¬ng: - Ch¬ng 1 : Tæng quan - Ch¬ng 2 : CÊu tróc vµ hÖ ®iÒu chØnh Turbine - Ch¬ng 3 : Tæng hîp hÖ thèng ®iÒu tèc Turbine - Ch¬ng 4 : X©y dùng bé ®iÒu khiÓn m¸y ®iÒu tèc sö dông Vi ®iÒu khiÓn Atmega32 cña Atmel §îc sù híng dÉn tËn t×nh cña PGS. NguyÔn V¨n LiÔn, t«i ®· hoµn thµnh ®å ¸n ®¸p øng ®Çy ®ñ c¸c yªu cÇu cña ®Ò tµi. Do thêi gian vµ kinh nghiÖm cã h¹n, vÊn ®Ò ®iÒu tèc tuabin lµ vÊn ®Ò quan träng vµ phô thuéc nhiÒu yÕu tè nªn luËn v¨n cßn nhiÒu ®iÓm cÇn tiÕp tôc nghiªn cøu ph¸t triÓn NguyÔn §øc Quang 4 Tù ®éng ho¸ 06-08 trong t¬ng lai.

T«i rÊt mong nhËn ®îc sù ®ãng gãp ý kiÕn cña c¸c thµy c« gi¸o vµ c¸c b¹n ®ång nghiÖp ®Ó luËn v¨n ®îc hoµn thiÖn h¬n. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thµy c« gi¸o trong bé m«n Tù ®éng ho¸, ®Æc biÖt lµ PGS. NguyÔn V¨n LiÔn ®· tËn t×nh gióp ®ì em trong suèt qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ thùc hiÖn luËn v¨n nµy. Häc viªn : NguyÔn §øc Quang NguyÔn §øc Quang 5 Tù ®éng ho¸ 06-08 Ch¬ng 1 – Tæng quan ch¬ng 1 tæng quan 1.M¸y ph¸t ®iÖn Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba pha được sủ dụng chủ yếu trong nền kinh tế quốc dân, và trong đời sống được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tua bin hơi , tuabin khí hoặc tuabin nước. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng. Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. Máy phát điện đồng bộ : Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi các tuabin hơi hoặc tuabin nước và được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước.

Máy phát tuabin hơi có tốc độ quay cao hơn do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn. Và có trục máy nằm ngang, máy phát tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suât nhỏ và cần di động thì thường dùng điêzen, máy phát điện điêzen thường có cấu tạo cực lồi. Kết cấu : Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ , ta xét riêng rẽ kết cấu của máy cực ẩn và của máy cực lồi a.

Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn. Rôto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia NguyÔn §øc Quang 6 Tù ®éng ho¸ 06-08 Ch¬ng 1 – Tæng quan công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh của rôto hình thành mặt cực từ. Mặt cắt ngang trục lõi thép rôto như trên hình vẽ.