Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống hòa máy phát đồng bộ

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất trong hệ thống hòa máy phát đồng bộ, ứng dụng và hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Ngọc Duy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Thắng
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống hòa máy phát đồng bộ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống hòa máy phát đồng bộ là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực điện tự động công nghiệp. Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế một hệ thống điều khiển tự động phân chia công suất tác dụng giữa các máy phát đồng bộ, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành. Đề tài này không chỉ mang tính lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao, giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến việc phân phối tải trong các nhà máy công nghiệp.

1.1. Bối cảnh và ý nghĩa của đề tài

Trong các nhà máy công nghiệp, việc đảm bảo nguồn cung cấp điện liên tục là yếu tố then chốt. Sự cố mất điện có thể gây thiệt hại lớn đến sản xuất. Do đó, việc sử dụng máy phát điện dự phòng và hệ thống hòa đồng bộ là cần thiết. Tuy nhiên, việc phân phối công suất tác dụng giữa các máy phát đồng bộ đòi hỏi sự chính xác và ổn định. Nghiên cứu này nhằm giải quyết vấn đề đó, đóng góp vào sự phát triển của ngành điện tự động công nghiệp.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế mạch điều khiển tự động phân chia công suất tác dụng giữa các máy phát đồng bộ. Cụ thể, đề tài hướng đến việc tối ưu hóa quá trình hòa đồng bộ, giảm thiểu dòng cân bằng, và đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Các yêu cầu về lý thuyết, thực tiễn, và tính toán kỹ thuật được đặt ra để đạt được mục tiêu này.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên các nguyên lý cơ bản của hệ thống hòa đồng bộ máy phát điện, bao gồm các phương pháp hòa đồng bộ chính xác và thô. Các điều kiện cần thiết để hòa đồng bộ như điện áp, tần số, thứ tự pha, và góc pha được phân tích chi tiết. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề cập đến việc sử dụng các thiết bị như đồng bộ kế và cuộn kháng để đảm bảo quá trình hòa đồng bộ diễn ra an toàn và hiệu quả.

2.1. Nguyên lý hòa đồng bộ

Hòa đồng bộ là quá trình đưa một máy phát vào làm việc song song với các máy phát khác trên lưới điện. Có hai phương pháp chính: hòa đồng bộ chính xác và hòa đồng bộ thô. Phương pháp hòa đồng bộ chính xác yêu cầu đảm bảo bốn điều kiện: điện áp, tần số, thứ tự pha, và góc pha. Trong khi đó, phương pháp hòa đồng bộ thô cho phép sai số về góc pha nhưng cần sử dụng cuộn kháng để giảm dòng cân bằng.

2.2. Thiết bị hỗ trợ hòa đồng bộ

Đồng bộ kế và cuộn kháng là hai thiết bị quan trọng trong quá trình hòa đồng bộ. Đồng bộ kế giúp so sánh tần số và điện áp giữa máy phát và lưới điện, đảm bảo thời điểm đóng máy phát chính xác. Cuộn kháng được sử dụng trong phương pháp hòa đồng bộ thô để giảm dòng cân bằng, đảm bảo an toàn cho hệ thống.

III. Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển

Phần này trình bày chi tiết quá trình thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tự động phân chia công suất tác dụng. Mạch điều khiển được thiết kế dựa trên vi điều khiển PIC, đảm bảo khả năng xử lý nhanh và chính xác. Các bước thiết kế bao gồm lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điện, và lập trình vi điều khiển. Kết quả thử nghiệm cho thấy mạch điều khiển hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch

Vi điều khiển PIC được lựa chọn làm trung tâm xử lý của mạch điều khiển. Các linh kiện khác như cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, và các thiết bị chuyển mạch được lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật. Mạch điện được thiết kế để đảm bảo khả năng đo lường và điều khiển chính xác công suất tác dụng giữa các máy phát.

3.2. Lập trình và thử nghiệm

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình C, tập trung vào việc xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị chuyển mạch. Quá trình thử nghiệm được thực hiện trong môi trường mô phỏng và thực tế, cho kết quả khả quan về độ ổn định và hiệu quả của mạch điều khiển.

IV. Kết quả và đánh giá

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả quan trọng, bao gồm việc thiết kế thành công mạch điều khiển tự động phân chia công suất tác dụng giữa các máy phát đồng bộ. Mạch điều khiển hoạt động ổn định, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn. Nghiên cứu cũng chỉ ra các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển và tích hợp thêm các tính năng tự động hóa cao hơn.

4.1. Kết quả thử nghiệm

Mạch điều khiển được thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau, từ môi trường mô phỏng đến thực tế. Kết quả cho thấy mạch điều khiển có khả năng phân chia công suất tác dụng một cách chính xác và ổn định, giảm thiểu dòng cân bằng và đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

4.2. Đánh giá và hướng phát triển

Nghiên cứu đã đạt được các mục tiêu đề ra, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện. Trong tương lai, việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển và tích hợp thêm các tính năng tự động hóa cao hơn sẽ là hướng phát triển chính của đề tài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: LÀM VIỆC SONG SONG VÀ VẤN ĐỀ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRONG TRẠM PHÁT ĐIỆN NHÀ MÁY 1. LÀM VIỆC SONG SONG CỦA CÁC MÁY PHÁT 1. Khái niệm chung Làm việc song song có các ưu điểm nổi bật là có thể thêm vào hoặc cắt bớt các máy phát ra khỏi lưới trong những trường hợp cần thiết. Hoàn toàn chủ động trong việc khởi động (mở máy) những động cơ có công suất lớn thậm chí công suất động cơ có thể xấp xỉ công suất của một máy phát.

Khi làm việc song song, điện áp trên lưới có thời gian hồi phục nhanh (tqđ nhỏ) giữ cho lưới có chất lượng cung cấp điện tốt. Đồng thời, khả năng cung cấp nguồn cho các phụ tải trong quá trình làm việc được liên tục, không bị gián đoạn khi cần thay đổi máy và một ưu điểm nữa là giảm được trọng lượng, kích thước của các phần tử, thiết bị phân phối, cung cấp. Tất cả những ưu điểm trên đều tạo điều kiện sử dụng một cách rộng rãi khả năng công tác song song các nguồn điện trong xí nghiệp và nhà máy. Tuy nhiên, khi các máy công tác song song vẫn tồn tại các nhược điểm không thể tránh được sau: - Phải trang bị các thiết bị để vận hành song song, các thiết bị để đưa máy vào và cắt máy ra cũng như các thiết bị điều khiển, điểu chỉnh trong quá trình hoạt động.

- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ cao về chuyên môn do thiết kế của trạm điện phát song song có cấu trúc phức tạp hơn, vận hành khai thác khó khăn hơn. - Độ lớn dòng ngắn mạch khi xảy ra ngắn mạch bao giờ cũng tăng lớn hơn, vì vậy cần phải lựa chọn những thiết bị bảo vệ ngắn mạch phức tạp hơn và tin cậy hơn. 3 - Sự phân chia đều tải cho các máy theo tỷ lệ công suất thường gặp khó khăn, nhất là khi các động cơ sơ cấp có đặc tính khác nhau hoặc đặc tính ban đầu giống nhau nhưng đã bị thời gian khai thác làm thay đổi. Để nghiên cứu cụ thể về chế độ hòa các máy phát đồng bộ và quá trình làm việc song song trong trạm phát của xí nghiệp,nhà máy người ta phân ra ba trường hợp sau: Gọi :Pđmx là công suất định mức của máy phát khảo sát Pđmt là tổng công suất tất cả các máy phát đang công tác trên lưới.

- Nếu Pđmx<< Pđmt :thì ta gọi máy phát x là công tác với mạng cứng. - Nếu Pđmx>> Pđmt :thì ta gọi máy phát x là công tác coi như độc lập. - Nếu Pđmx  Pđmt :thì ta gọi máy phát x là công tác với mạng mềm. Hòa đồng bộ các máy phát Đưa một máy phát vào công tác song song là quá trình đưa một máy phát từ trạng thái không công tác đến trạng thái cùng cung cấp năng lượng với các máy phát khác lên thanh cái.

Quá trình hòa đồng bộ được coi là thành công khi không gây ra xung dòng lớn và thời gian tồn tại quá trình này phải ngắn. Để đưa một máy phát đồng bộ vào công tác song song với các máy phát khác, trong thực tế có 2 phương pháp cơ bản: - Hoà đồng bộ: là phương pháp đưa máy phát đồng bộ đã được kích từ đến điện áp định mức và công tác song song với các máy phát khác. - Tự hoà đồng bộ: là quá trình đóng máy phát đồng bộ chưa được kích từ vào công tác song song với các máy phát khác sau khi đã cho máy phát quay đến tốc độ định mức rồi sau đó mới bắt đầu kích từ đến điện áp định mức. Phương pháp này gây ra xung dòng lớn.

Khi đóng máy phát bằng phương pháp tự đồng bộ phải tuân theo những điều kiện sau : - Máy phát không được kích từ (kích từ của máy phát đã được cắt ra bởi aptomat diệt từ ). 4 - Tốc độ góc quay của máy phát đóng vào phải gần bằng tốc độ góc quay của các máy phát đang làm việc trong hệ thống. - Trình tự thực hiện: Trước khi đóng một máy phát vào làm việc song song với các máy phát khác thì máy phát đó chưa được kích từ, khi tốc độ quay của máy phát đó xấp xỉ với tốc độ quay của các máy phát khác thì máy phát đó được đóng vào, ngay sau đó dòng kích từ sẽ được đưa vào rôto và máy phát sẽ đươc kéo vào làm việc đồng bộ. Phương pháp hoà đồng bộ thường được ứng dụng nhiều trong thực tế.

Ta có thể chia làm 2 cách: - Hoà đồng bộ chính xác: là tại thời điểm đóng máy phát lên thanh cái, tất cả các điều kiện hoà phải được thoả mãn. - Hoà đồng bộ thô: là tại thời điểm đóng máy phát lên thanh cái, tất cả các điều kiện phải thoả mãn chỉ trừ điều kiện góc pha ban đầu của điện áp lưới và điện áp máy phát không trùng nhau. Bốn điều kiện hòa cho các máy phát điện đồng bộ là: - Điều kiện 1: điện áp máy phát cần hòa phải bằng điện áp lưới. - Điều kiện 2: tần số máy phát cần hòa phải bằng tần số lưới.

- Điều kiện 3: thứ tự pha của máy phát cần hòa phải giống thứ tự pha của lưới. - Điều kiện 4: góc pha đầu của điện áp máy phát cần hòa phải trùng với góc pha đầu của điện áp cùng tên của lưới điện. Hòa đồng bộ chính xác Phải đảm bảo đủ 4 điều kiện :U, f, φ, thứ tự pha Khi đóng máy phát bằng phương pháp hòa chính xác cần phải thực hiện những công việc sau : - San bằng về trị số của điện áp máy phát được đóng vào UF và điện áp mạng UHT (½UF½»½UHT½) 5 - San bằng tốc độ góc quay của máy phát được đóng vào wF và tốc độ góc quay của các máy phát trong hệ thống wHT (wF»wHT). - Làm cho góc pha của các véctơ điện áp máy phát và điện áp mạng trùng nhau vào lúc đóng máy cắt (Góc lệch pha giữa các véctơ điện áp máy phát và điện áp mạng d» 0) - Như vậy trình tự thực hiện hòa đồng bộ chính xác như sau: Trước khi đóng một máy phát vào làm việc song song với các máy phát khác thì máyphát đó phải được kích từ trước, khi tốc độ quay và điện áp của máy phát đó xấp xỉ với tốc độ quay và điện áp của các máy phát khác cần chọn thời điểm thuận lợi để đóng máy phát sao cho lúc đó độ lệch điện áp giữa các máy phát gần bằng không, nhờ vậy dòng cân bằng lúc đóng máy sẽ nhỏ nhất.

* Hòa đồng bộ bằng phương pháp đèn tắt: Hình 1.1: Nguyên lý hòa đồng bộ bằng phương pháp đèn tắt Trên hình 1.1 là nguyên lý hòa đồng bộ chính xác bằng phương pháp đèn tắt, trong đó G là máy phát cần hòa vào lưới điện 3 pha RST; V và Vo là voltmeter; FM đồng hồ đo tần số; SW công tắc chuyển mạch 2 vị trí; L1, L2, L3 các bóng đèn; ACB cầu dao chính. 6 Thao tác hòa như sau: Khởi động động cơ sơ cấp lai máy phát cho chạy ổn định tại tốc độ định mức, trong quá trình khởi động máy phát đã thành lập được điện áp, chuyển công tắc SW về vị trí 2 để kiểm tra giá trị điện áp và tần số của máy phát thông qua các thiết bị đo voltmeter V và tần số FM. Nếu các giá trị này khác định mức thì cần tiến hành điều chỉnh tần số thông qua tay ga, điện áp thông qua chiết áp (thường được đưa ra phía ngoài mặt của bảng điện). Chuyển công tắc SW sang vị trí 1 để so sánh tần số và điện áp với lưới.

Khi các đại lượng tần số và điện áp của lưới và máy phát tương đối bằng nhau, quan sát trên các đèn L1, L2, L3 thấy ánh sáng cứ từ từ sáng lên rồi lại từ từ tối đi và tắt hẳn. Bóng đèn đã được đặt vào hiệu điện áp hai pha cùng tên Δu. Như vậy quan sát ánh sáng của bóng đèn là quan sát được thứ tự pha đang chuyển động theo tần số góc trượt của hệ thống. Nếu sai khác tần số góc lớn thì tần số trượt lớn, đèn sẽ sáng tối với chu kỳ nhanh, sai khác tần số nhỏ thì tần số sáng tối sẽ chậm.

Thời điểm đóng điện sẽ được chọn với tần số trượt nhỏ, tức là tốc độ sáng tối của các đèn chậm và khi các vecto cùng tên chồng khít lên nhau – lúc đó đèn tắt hoàn toàn. Để nâng cao độ tin cậy cho thời điểm đóng ACB, thường người ta bố trí thêm đồng hồ Vo, đồng hộ này cũng chỉ giá tri hiệu dụng ΔU nên thời điểm đóng ACB tốt nhất là khi các đèn đã mất sáng và Vo chỉ zero. Người thao tác tính toán để trừ đi thời gian trễ do thao tác cơ khí chậm (nên đóng trước một nhịp trước khi các giá trị về zero). Khi ACB được đóng lên lưới, quá trình hòa kết thúc.

7 * Hòa đồng bộ bằng phương pháp sử dụng đồng bộ kế.2: Sơ đồ hòa đồng bộ bằng đồng bộ kế. Dùng đồng bộ kế để đưa máy phát vào làm việc song song được coi là phương pháp tin cậy nhất. Về nguyên lý, đồng bộ kế kinh điển là thiết bị so sánh chênh lệch tần số giữa máy phát cần hòa và lưới điện thông qua từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây, ngày nay đồng bộ kế đã được thiết kế theo nhiều dạng khác nhau nhưng vẫn xuất phát từ cơ sở so sánh tần số góc. Đồng bộ kế kim được thiết kế trên mặt đồng hồ có đánh dấu thời điểm hòa bằng một vạch chỉ thị, khi kim chỉ thị trùng tới vạch dấu thì phải thực hiện thao tác đóng ACB.

Trên mặt đồng hồ cũng chỉ ra chiều quay Fast và Slow để giúp người vận hành xác định được tần số góc của máy phát cần hòa nhanh hơn hay chậm hơn lưới. Thông thường người ta chọn chiều quay theo Fast để hệ dễ đồng bộ. Việc chỉnh chiều quay của kim chính là việc can thiệp vào điều tốc động cơ sơ cấp. Chính vì vị trí hòa và chiều quay được ấn định sẵn nên việc đấu nối vào các cuộn dây của đồng bộ kế chỉ duy nhất theo 1 cách.

Nếu việc đấu nối sai thiết kế thì thời điểm và các chiều chỉ thị sẽ sai khác. Điều này hết sức quan trọng với các kỹ sư làm công tác chế tạo và lắp ráp 8 bảng điện chính, các kỹ sư và cán bộ vận hành cũng phải lưu ý điều này nếu có sửa chữa đến Synchronizing Panel.