Đồ án thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất hòa máy phát đồng bộ ĐH Dân lập Hải Phòng

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

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: LÀM VIỆC SONG SONG VÀ VẤN ĐỀ PHÂN PHỐI CÔNG SUẤT TRONG TRẠM PHÁT ĐIỆN NHÀ MÁY
• 1.1. LÀM VIỆC SONG SONG CỦA CÁC MÁY PHÁT
• 1.1.1. Khái niệm chung
• 1.1.2. Hòa đồng bộ các máy phát
• 1.1.2.1. Hòa đồng bộ chính xác
• 1.1.2.2. Hòa đồng bộ thô
• 1.2. VẤN ĐỀ PHÂN PHỐI CHO CÁC MÁY KHI LÀM VIỆC SONG SONG
• 1.2.1. Phân phối công suất tác dụng
• 1.2.2. Phân phối công suất kháng
• 2. Chương 2: Vi điều khiển PIC
• 3. Chương 3: Thiết kế, chế tạo bộ tự động phân chia công suất tác dụng

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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò then chốt đối với sự vận hành của toàn bộ nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là trong khu vực sản xuất công nghiệp. Theo số liệu thống kê được đề tài trích dẫn, khoảng 70% tổng lượng điện năng sản xuất ra được tiêu thụ tại các nhà máy, xí nghiệp. Trong điều kiện dây chuyền sản xuất công nghiệp vận hành liên tục, sự cố mất điện đột ngột từ lưới điện quốc gia nếu không được khắc phục kịp thời sẽ gây gián đoạn quy trình công nghệ, làm hư hỏng nguyên vật liệu và phát sinh thiệt hại kinh tế nghiêm trọng. Do đó, việc trang bị nguồn máy phát điện dự phòng tại chỗ là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

Trên thực tế, phụ tải tiêu thụ của các nhà máy công nghiệp thường rất lớn, vượt quá công suất định mức của một tổ máy phát đơn lẻ. Việc ghép nối song song và hòa đồng bộ hai hay nhiều tổ máy phát điện đồng bộ lên cùng thanh cái chung là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm đáp ứng công suất phụ tải, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, tạo tính linh hoạt trong việc vận hành, bảo dưỡng và giảm thiểu kích thước, trọng lượng của các thiết bị phân phối. Tuy nhiên, khi các máy phát làm việc song song, bài toán kỹ thuật phức tạp nảy sinh là phải đảm bảo quá trình hòa đồng bộ an toàn và phân phối đồng đều công suất giữa các máy phát theo tỷ lệ công suất định mức.

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống hòa máy phát đồng bộ" do sinh viên Phạm Ngọc Duy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Thắng tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2018) nhằm giải quyết bài toán trên thông qua các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu cơ sở lý luận về quá trình làm việc song song của các máy phát điện đồng bộ, các phương pháp hòa đồng bộ và nguyên lý phân phối công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng trong trạm phát điện.
2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, tập lệnh, các ngoại vi tích hợp và thanh ghi điều khiển của dòng vi điều khiển PIC (trọng tâm là họ PIC16F87xA).
3. Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển tự động phân chia cân bằng công suất tác dụng giữa các máy phát điện đồng bộ làm việc song song.

• Đối tượng nghiên cứu: Quá trình hòa đồng bộ và hệ thống mạch điều khiển tự động phân chia công suất tác dụng cho các tổ máy phát điện diesel - đồng bộ làm việc song song.
• Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng trong hệ thống trạm phát điện xí nghiệp, nhà máy thuộc chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy điện đồng bộ, hệ thống điều khiển tự động truyền động điện và kỹ thuật vi điều khiển nhúng. Tác giả phân loại chế độ công tác của trạm phát điện thành ba trường hợp dựa trên quan hệ giữa công suất máy phát khảo sát ($P_{đmx}$) và tổng công suất các máy đang làm việc trên lưới ($P_{đmt}$):

• Mạng cứng: $P_{đmx} \ll P_{đmt}$
• Mạng độc lập: $P_{đmx} \gg P_{đmt}$
• Mạng mềm: $P_{đmx} \approx P_{đmt}$

Về lý thuyết hòa đồng bộ, hệ thống cần thỏa mãn bốn điều kiện hòa đồng bộ chính xác:

1. Điện áp hiệu dụng của máy phát cần hòa phải bằng điện áp mạng lưới ($|U_F| \approx |U_{HT}|$).
2. Tần số của máy phát cần hòa phải bằng tần số của mạng lưới ($\omega_F \approx \omega_{HT}$).
3. Thứ tự pha của máy phát cần hòa phải trùng với thứ tự pha của lưới điện.
4. Góc lệch pha ban đầu giữa các vectơ điện áp cùng tên của máy phát và lưới điện phải xấp xỉ bằng không ($\delta \approx 0$).

Về lý thuyết phân phối công suất tác dụng, quy luật điều chỉnh được thiết lập dựa trên đường đặc tính tĩnh tần số - công suất $f = f(P)$ của tổ máy. Đặc tính này bắt buộc phải là đặc tính hữu sai với hệ số sai tĩnh $k_C = \text{tg}\alpha$. Mối quan hệ giữa biến thiên tần số và biến thiên công suất được mô tả qua phương trình:

$$-\Delta f = k_C \cdot \Delta P$$

Dưới dạng đơn vị tương đối:

$$\Delta f^* = -k_C \cdot \Delta p^*$$

Về tiêu chí kinh tế, quá trình phân phối tải giữa $n$ tổ máy diesel phải thỏa mãn điều kiện vi phân tiêu hao nhiên liệu bằng nhau:

$$\frac{dG_1}{dP_1} = \frac{dG_2}{dP_2} = \dots = \frac{dG_n}{dP_n}$$

đồng thời thỏa mãn cân bằng tổng công suất $\sum_{i=1}^n P_i = P_{\text{tải}}$.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích lý thuyết và mô hình hóa: Thiết lập hệ phương trình phân bố gia số công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống $n$ máy phát làm việc song song.
• Phương pháp so sánh, tổng hợp kỹ thuật: Phân tích định lượng ưu nhược điểm của các phương pháp hòa đồng bộ (đèn tắt, đồng bộ kế, hòa thô qua cuộn kháng) và các phương pháp dịch chuyển đặc tính tĩnh (dịch song song, chủ - tớ, tịnh tiến giữ tần số cố định).
• Phương pháp thiết kế phần cứng và lập trình hệ thống: Ứng dụng cấu trúc vi điều khiển RISC kiến trúc Harvard trên dòng chip PIC16F87xA để xây dựng mạch điều khiển phân chia tải tự động.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển cân bằng công suất tác dụng được thiết kế nhằm can thiệp trực tiếp vào bộ điều tốc của động cơ sơ cấp (động cơ diesel) thông qua động cơ trợ động (servomotor), từ đó thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt để dịch chuyển đặc tính cơ $f = f(P)$ của từng tổ máy.

Phương pháp hòa đồng bộ	Nguyên lý thực hiện	Thiết bị chính sử dụng	Ưu điểm	Hạn chế
Hòa chính xác bằng đèn tắt	So sánh hiệu điện áp $\Delta u$ giữa hai pha cùng tên qua độ sáng bóng đèn; đóng ACB khi đèn tắt hoàn toàn và vôn kế $V_0$ chỉ zero.	Đèn $L_1, L_2, L_3$, vôn kế $V, V_0$, đồng hồ tần số FM, công tắc SW, máy cắt ACB.	Cấu tạo mạch đơn giản, trực quan, chi phí lắp ráp thấp.	Phụ thuộc vào kỹ năng quan sát của người vận hành; có độ trễ thao tác cơ khí.
Hòa chính xác bằng đồng bộ kế	So sánh tần số góc thông qua từ trường cuộn dây; kim chỉ thị chiều quay Fast/Slow; đóng ACB khi kim trùng vạch dấu.	Đồng bộ kế kim SYS, biến áp đo lường PT1, PT5, máy cắt ACB.	Độ tin cậy cao, hiển thị rõ ràng tốc độ trượt và góc pha.	Đấu nối cuộn dây cố định, yêu cầu kỹ thuật lắp ráp tủ bảng điện chuẩn xác.
Hòa thô qua cuộn kháng	Đóng máy phát khi chưa đủ điều kiện góc pha thông qua cuộn kháng phụ để ghìm dòng cân bằng, sau $5 \div 10$ s đóng máy cắt chính.	Cuộn kháng CK (XK), máy cắt phụ, máy cắt chính ACB.	Thao tác hòa nhanh trong các tình huống sự cố khẩn cấp.	Cuộn kháng cồng kềnh, sinh sóng hài bậc cao, giá thành cao, ít được dùng hiện nay.

Phương pháp phân chia công suất $P$	Cơ chế tác động	Ảnh hưởng đến tần số lưới ($f$)	Yêu cầu đối với bộ điều tốc
Dịch đặc tính tĩnh	Tác động servomotor dịch chuyển song song các đường đặc tính tĩnh.	Tần số lưới bị suy giảm từ $f_1$ xuống $f_2$ khi công suất tăng.	Yêu cầu điều tốc thông thường, độ cứng đặc tính không đổi.
Phương pháp Chủ - Tớ (Master - Slave)	Tịnh tiến đặc tính của các máy Slave theo điểm làm việc của máy Master.	Tần số lưới giảm trong phạm vi cho phép theo độ dốc của máy Master.	Máy Master bắt buộc phải có đường đặc tính ngoài cứng.
Tịnh tiến đặc tính giữ $f = \text{const}$	Tịnh tiến đặc tính đồng thời nâng tần số không tải $f_0$ lên giá trị lớn hơn.	Tần số lưới được duy trì không đổi tại giá trị định mức.	Yêu cầu bộ điều tốc có dải điều chỉnh tham số rất rộng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Làm việc song song và vấn đề phân phối công suất trong trạm phát điện nhà máy

Chương 1 phân tích toàn diện cơ sở vận hành song song của các tổ máy phát đồng bộ trong trạm điện nhà máy:

• Ưu điểm và nhược điểm khi làm việc song song: Cho phép linh hoạt khởi động các động cơ công suất lớn, giảm thời gian quá độ hồi phục điện áp ($t_{qđ}$ nhỏ), đảm bảo cung cấp điện liên tục khi bảo dưỡng hoặc sự cố máy phát. Ngược lại, hệ thống đòi hỏi thiết bị điều khiển phức tạp, trình độ vận hành cao, dòng ngắn mạch tổng tăng cao và xuất hiện khó khăn trong việc phân chia đều tải.
• Kỹ thuật hòa đồng bộ: Phân định rõ giữa phương pháp tự hòa đồng bộ (đóng máy chưa kích từ, gây xung dòng lớn) và hòa đồng bộ (đã kích từ định mức). Khảo sát chi tiết hai phương pháp hòa chính xác (dùng hệ thống đèn tắt và dùng đồng bộ kế kim SYS kết hợp biến áp đo lường PT1, PT5) cùng phương pháp hòa thô sử dụng cuộn kháng hạn dòng với thời gian trễ đóng cầu dao chính từ $5 \div 10$ giây.
• Cơ sở phân phối công suất tác dụng: Chứng minh rằng với hệ số sai tĩnh $k_C = 0{,}04$, chỉ cần tần số dao động $\Delta f^* = 1%$ thì công suất tải đã dao động $\Delta p^* = 25%$, trong khi quy chuẩn cho phép độ chênh lệch tải giữa hai máy là $\pm 10%$. Thiết lập hệ phương trình gia số tải tổng quát cho $n$ máy:

$$\Delta P_i = \frac{\Delta f}{k_{Ci}} = \frac{\sum_{i=1}^n \Delta P_i}{k_{Ci} \cdot \sum_{j=1}^n \frac{1}{k_{Cj}}}$$

Từ đó chỉ ra điều kiện bắt buộc để hai tổ máy làm việc song song ổn định là đặc tính tĩnh của động cơ sơ cấp phải là đặc tính hữu sai ($k_C > 0$).

• Cơ sở phân phối công suất phản kháng: Khi phân phối tải vô công không đều, dòng cân bằng xuất hiện giữa các cuộn dây phần ứng gây phát nhiệt, tăng tổn hao và làm giảm hiệu suất máy. Đề tài trình bày giải pháp nối dây cân bằng kích từ phía một chiều (sử dụng biến áp phức hợp bù nhiễu với mạch dao động cộng hưởng LC tại $75% f_{đm}$) và phía xoay chiều (sử dụng biến áp phức hợp 4 cuộn dây bổ sung cuộn san bằng $W_{SP}$).

Chương 2: Vi điều khiển PIC

Chương 2 trình bày cấu trúc phần cứng và tập lệnh của họ vi điều khiển PIC (Peripheral Interface Controller do Microchip phát triển), đặc biệt đi sâu vào họ PIC16F87xA:

• Kiến trúc Harvard và cơ chế thực thi lệnh: Phân tích sự ưu việt của kiến trúc Harvard (tách biệt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu) so với kiến trúc Von-Neumann truyền thống. Nhờ hai luồng bus riêng biệt, CPU có thể truy xuất đồng thời lệnh và dữ liệu, giúp tăng gấp đôi tốc độ xử lý. Tập lệnh RISC của PIC16F có chiều dài cố định 14-bit, cho phép thực thi hầu hết các câu lệnh chỉ trong một chu kỳ lệnh ($1,\text{TCY} = 4$ chu kỳ xung clock, tương đương $1,\mu\text{s}$ ở tần số thạch anh $4,\text{MHz}$).
• Cơ chế Pipelining: Quá trình đọc mã lệnh $N+1$ diễn ra đồng thời với quá trình thực thi mã lệnh $N$. Đối với các lệnh làm thay đổi con trỏ chương trình PC (như lệnh nhảy GOTO, gọi chương trình con CALL), vi điều khiển cần hai chu kỳ lệnh để hoàn thành.
• Thông số kỹ thuật dòng PIC16F87xA: Tốc độ xung nhịp hoạt động từ DC đến $20,\text{MHz}$ (chu kỳ lệnh $20,\text{ns}$), bộ nhớ chương trình Flash 8K words (14-bit) trên PIC16F877A (4K words trên 16F874A/876A), bộ nhớ RAM dữ liệu, EEPROM nội 256 bytes với độ bền ghi xóa 1 triệu lần và lưu trữ dữ liệu trên 40 năm. Chip tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit với 8 kênh tương tự, 3 bộ định thời (Timer0 8-bit, Timer1 16-bit, Timer2 8-bit), module Capture/Compare/PWM (CCP) và mạch nạp nối tiếp trong mạch ICSP.
• Hệ thống thanh ghi chức năng đặc biệt: Phân tích chi tiết các bit điều khiển trong thanh ghi trạng thái STATUS (các cờ Z, C, DC, bit chọn Bank RP1:RP0), thanh ghi chọn chế độ OPTION_REG (cấu hình nguồn xung và bộ chia trước Prescaler cho Timer0, ngắt ngoài INTEDG), thanh ghi quản lý ngắt INTCON (ngắt toàn cục GIE, ngắt ngoại vi PEIE, cờ tràn T0IF), các thanh ghi cho phép ngắt ngoại vi PIE1 và cờ ngắt ngoại vi PIR1, cùng cấu trúc thanh ghi điều khiển cổng vào/ra PORTA và TRISA.
• Mạch nạp và công cụ phần mềm: Đánh giá các dòng mạch nạp chính hãng (PICSTART Plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3) và các mạch nạp tự lắp ráp giá thành thấp (JDM programmer, WARP-13A, MCP-USB, P16PRO40, Willem) kết hợp phần mềm nạp IC-Prog.

Chương 3: Thiết kế, chế tạo bộ tự động phân chia công suất tác dụng

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng và thuật toán điều khiển cho bộ tự động phân chia công suất tác dụng:

• Tích hợp vi điều khiển họ PIC16F87xA làm khối xử lý trung tâm, nhận tín hiệu đo lường công suất tác dụng từ các bộ biến đổi đo lường (transducer).
• Xây dựng giải thuật so sánh độ lệch công suất thực tế giữa các tổ máy phát đang hòa mạng với ngưỡng sai lệch cho phép ($\pm 10%$).
• Thiết kế mạch giao tiếp điều khiển động cơ trợ động (servomotor) để tác động cơ cấu thanh răng điều tốc trên động cơ diesel, thực hiện dịch chỉnh đặc tính tĩnh của từng máy phát nhằm đưa sai lệch công suất tác dụng về dải cân bằng ổn định.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở toán học và cơ chế vật lý của quá trình hòa đồng bộ và phân bố công suất tác dụng, công suất phản kháng trong trạm phát điện nhiều tổ máy làm việc song song.
• Thiết lập bảng phân tích định lượng về sự dao động tần số ảnh hưởng đến độ lệch phân chia tải (với $k_C = 0{,}04$, độ lệch tần số $1%$ gây mất cân bằng $25%$ công suất).
• Khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng, ánh xạ bộ nhớ và cơ chế xử lý ngắt của vi điều khiển PIC16F87xA, xác lập cơ sở kỹ thuật để ứng dụng dòng vi điều khiển RISC này vào bài toán điều khiển công nghiệp.
• Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp mạch điều khiển tự động phân chia tải tác dụng, giúp ổn định tần số lưới và tối ưu hóa lượng tiêu hao nhiên liệu của các động cơ diesel sơ cấp theo quy phạm kỹ thuật hiện hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Phạm vi nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp đại học chủ yếu tập trung giải quyết bài toán cân bằng công suất tác dụng ($P$); nội dung cân bằng công suất phản kháng ($Q$) mới dừng ở mức độ phân tích lý thuyết các phương pháp nối dây cân bằng. Mạch điều khiển chế tạo thực nghiệm chưa tích hợp các chuẩn truyền thông mạng công nghiệp tốc độ cao để giám sát từ xa.
• Hướng nghiên cứu mở rộng: Nghiên cứu tích hợp đồng thời hai kênh điều khiển tự động: kênh điều khiển công suất tác dụng qua bộ điều tốc động cơ diesel và kênh điều khiển công suất phản kháng qua bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR) của máy phát; mở rộng ứng dụng các dòng vi điều khiển hiệu năng cao hơn hoặc DSP/dsPIC; bổ sung giao thức truyền thông công nghiệp (như Modbus, CAN bus) phục vụ kết nối hệ thống SCADA của nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và giảng viên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Hệ thống Điện:

• Phần lý thuyết Chương 1: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về điều kiện hòa đồng bộ và các công thức giải tích phân bố công suất, có thể trích dẫn cho các học phần Máy điện, Tự động hóa hệ thống điện và Nhà máy điện.
• Phần kỹ thuật Chương 2 & 3: Cung cấp tài liệu tra cứu chi tiết về cấu trúc thanh ghi, sơ đồ chân và phương pháp cấu hình vi điều khiển PIC16F87xA, hỗ trợ trực tiếp cho các đồ án thiết kế mạch nhúng điều khiển công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Bốn điều kiện kỹ thuật bắt buộc để thực hiện hòa đồng bộ chính xác là gì?
Bốn điều kiện gồm: điện áp máy phát bằng điện áp lưới ($|U_F| \approx |U_{HT}|$), tần số máy phát bằng tần số lưới ($\omega_F \approx \omega_{HT}$), thứ tự pha của máy phát trùng với thứ tự pha của lưới, và góc lệch pha ban đầu giữa các vectơ điện áp cùng tên xấp xỉ bằng không ($\delta \approx 0$).

2. Tại sao khi các tổ máy phát làm việc song song, đặc tính tĩnh của động cơ sơ cấp bắt buộc phải là đặc tính hữu sai?
Nếu hệ số sai tĩnh $k_C = 0$ (đặc tính vô sai tuyệt đối, góc nghiêng $\alpha = 0$), hệ thống sẽ rơi vào trạng thái không ổn định, một máy có thể nhận toàn bộ tải của trạm hoặc các máy nhận tải dao động hỗn loạn, không thể tự động phân chia tải theo tỷ lệ công suất.

3. Mức sai lệch tải cho phép giữa các máy phát khi vận hành song song theo quy phạm kỹ thuật là bao nhiêu?
Quy phạm kỹ thuật cho phép độ chênh lệch tải giữa hai máy phát khi làm việc song song nằm trong khoảng $\pm 10%$.

4. Cơ chế thực thi lệnh Pipelining trên vi điều khiển PIC mang lại ưu điểm gì?
Cơ chế Pipelining cho phép vi điều khiển thực hiện nạp lệnh tiếp theo đồng thời với quá trình giải mã và thực thi lệnh hiện tại. Nhờ đó, hầu hết các lệnh đều được xử lý chỉ trong 1 chu kỳ lệnh (ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh làm thay đổi thanh ghi PC cần 2 chu kỳ lệnh).

5. Sự khác biệt giữa phương pháp nối dây cân bằng kích từ phía một chiều và phía xoay chiều là gì?
Nối dây cân bằng phía một chiều yêu cầu các máy phát phải có cùng điện áp kích từ và đặc tính từ hóa giống hệt nhau. Khi các thông số này khác nhau, hệ thống bắt buộc phải sử dụng phương pháp nối dây cân bằng phía xoay chiều thông qua biến áp phức hợp bổ sung cuộn dây san bằng $W_{SP}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống hòa máy phát đồng bộ" của tác giả Phạm Ngọc Duy đã giải quyết trọn vẹn bài toán vận hành song song các tổ máy phát trong trạm điện nhà máy. Bằng việc kết hợp giữa cơ sở lý thuyết máy điện đồng bộ và kỹ thuật vi điều khiển RISC họ PIC16F87xA, công trình đã xây dựng thành công giải pháp phần cứng và thuật toán điều khiển phân chia tải tác dụng tự động. Kết quả nghiên cứu đáp ứng đúng các yêu cầu kỹ thuật về độ ổn định tần số và độ lệch tải cho phép, mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho lĩnh vực tự động hóa hệ thống cung cấp điện công nghiệp.

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.