Luận văn Điều khiển turbine thuỷ điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TURBINE THUỶ ĐIỆN Học viên: TRẦN VINH PHÚ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. NGUYỄN VĂN LIỄN THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ------------------------------------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Trần Vinh Phú Lớp: CHTĐH-K10 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Văn Liễn Ngày giao đề tài: 15/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn HỌC VIÊN Trần Vinh Phú Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dƣới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Ngƣời cam đoan Trần Vinh Phú Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 MỤC LỤC Lời cam đoan 1 Lời nói đầu 5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 7 1.1. Máy phát điện 7 1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện 10 1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện 10 1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện 11 1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện 11 1.2.4. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện 14 1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện 19 CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA TURBINE 25 2.1. Khái niệm cơ bản 25 2.2. Phân loại các loại Turbine 26 2.2.1 Turbine phản kích 27 2.2.2 Turbine hƣớng trục 27 2.2.3 Turbine tâm trục 28 2.2.4 Turbine hƣớng chéo 29 2.2.5 Turbine xung lực 30 2.2.6 Turbine gáo 30 2.2.7 Turbine tia nghiêng 31 2.2.8 Turbine tác dụng kép 31 2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan 32 2.3.1 Buồng Turbine 32 2.3.2 Stato 33 2.3.3 Bộ phận hƣớng nƣớc 33 2.3.4 Bánh xe công tác Turbine 34 2.3.5 Trục và ổ trục 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 2.3.6 Các bộ phận phụ của turbine 35 2.4. Các thong số đặc tính Turbine 36 2.4.1.Cột áp Turbine 36 2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine 36 2.4.3. Công suất 37 2.4.4. Hiệu suất 37 2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine 38 2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc 38 2.5.1.Các yêu cầu với hệ điều tốc Turbine 38 2.5.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Turbine 39 2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine 41 2.5.4. Phân loại bộ điều tốc 44 2.5.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc 50 2.5.6. Tính toán thông số chính của điều tốc Turbine 53 CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE 60 3.1. Đặt vấn đề 60 3.2. Mô hình toán học 61 3.2.1. Khâu Turbine 61 3.2.2. Khâu khuếch đại 62 3.2.3. Các khâu đo 63 3.3. Tổng hợp hệ thống 64 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí 64 3.3.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 65 3.3.3.Mô phỏng hệ thống điều chỉnh turbine 67 CHƢƠNG IV: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU CHỈNH TURBINE 71 4.1. Giới thiệu chung 71 4.2. Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh LQ 71 4.2.1. Bộ điều chỉnh LQR 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 4.2.2. Bộ điều khiển LQG 73 4.2.2.1. Bài toán tuyến tính có nhiễu 73 4.2.2.2. Bộ quan sát trạng thái (lọc) Kalman 74 4.2.2.3. Bộ điều chỉnh phản hồi đầu ra LQG 75 4.2.2.4. Loop Transfer Recovery 76 4.3. Phân tích tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc 77 4.3.1. Phân tích tính điều khiển đƣợc 77 4.3.2. Phân tích tính quan sát đƣợc 79 4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh LQ 80 4.4.1. Thiết kế bộ điều chỉnh LQR 80 4.4.1.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều chỉnh LQR 80 4.4.1.2. Tính chọn tham số của bộ điều khiển 82 4.4.1.3. Kết quả mô phỏng 83 4.4.2. Thiết lập bộ điều chỉnh LQG 85 4.4.2.1. Xây dựng cấu trúc bộ điều chỉnh khiển LQG 85 4.4.2.2. Tính chọn tham số bộ điều khiển 86 4.4.2.3. Kết quả mô phỏng 87 4.4.2.4. Loop Transfer Recovery 87 4.5. Điều khiển LQ cho mô hình phi tuyến 90 4.5.1. Điều khiển LQR cho mô hình phi tuyến 90 4.5.2. Điều khiển LQG cho mô hình phi tuyến 90 4.6. Kết luận chƣơng 93 KẾT LUẬN 95 Tài liệu tham khảo 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 LỜI NÓI ĐẦU Turbine thuỷ là thiết bị quan trọng trong nhà máy thuỷ điện, việc điều chỉnh tốc độ Turbine thuỷ điện quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của nhà máy điện, khả năng ổn định tần số của máy phát. Thực tế đã có nhiều nghiên cứu về Turbine thuỷ điện và các phƣơng pháp điều tốc Turbine thuỷ điện. Trong phạm vi luận văn này tôi tập trung nghiên cứu lý luận tổng quan, phƣơng pháp thiết kế, xây dựng bộ điều tốc Turbine thuỷ điện, … và đƣa ra phƣơng án nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển LQ . Trong thời gian không dài, luận văn đã đƣợc hoàn thành các yêu cầu đặt ra khi tính toán thiết kế hệ thống điều tốc Turbine thuỷ điện. Xây dựng đƣợc hệ thống điều khiển với đầy đủ các chức năng đồng thời nghiên cứu, phát triển bằng điều khiển Linear Quadratic. Luận văn gồm 2 phần liên quan chặt chẽ với nhau, phần 1 nghiên cứu Xây dựng hệ thống điều chỉnh Turbine thuỷ lực và phần 2 nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện. Toàn bộ luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng: - Chương I: Tổng quan - Chương II: Cấu trúc và hệ điều chỉnh Turbine - Chương III: Tổng hợp hệ thống điều tốc Turbine - Chương IV: Nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn tôi đã hoàn thành đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài. Do thời gian và kinh nghiệm có hạn, vấn đề điều tốc Turbine là vấn đề quan trọng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên luận văn còn nhiều điểm cần tiếp tục nghiên cứu phát triển trong tƣơng lai. Tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành với kết quả tốt. Trƣớc thành công này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này, tôi cũng xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong Trung tâm Công nghệ cao Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội cũng nhƣ gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Ngày . . .tháng …. năm 2009 Học viên: Trần Vinh Phú Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Máy phát điện 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 sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine 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 bằng công suất tác dụng. Máy phát điện đồng bộ: Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi các Turbine hơi hoặc Turbine nước. Máy phát Turbine hơi có tốc độ quay cao hơn do đó được chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục máy nằm ngang. Máy phát Turbine 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 suất nhỏ và cần di động thì thường dùng 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 máy cực lồi. a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn. Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ. Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ quay của Rôto là 3000 vòng/ phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Roto, đường kính d của Roto Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 không quá 1.1 đến 1.15 mét. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của Roto. Chiều dài tối đa của Roto vào khoảng 6.5 mét. Dây quấn kích từ đặt trong rãnh Roto được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối dây này được cách điện với nhau bằng một lớp Mica mỏng. Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính. Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt bằng các ống trụ thép không từ tính. Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong đầu trục nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều. Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục chung với máy đồng bộ. Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó có đặt dây quấn ba pha và thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm, hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 6cm lại có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố định trong thân máy. Trong các máy đồng bộ có công suất trung bình và lớn, thân máy được cấu tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày. Thân máy phải thiết kế và cấu tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió làm lạnh máy điện. Nắp máy cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. Ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ, ổ trục đặt cố định trên bệ máy. Kết cấu máy phát điện đồng bộ cực lồi. Máy phát điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy điện đồng bộ cực ẩn, đường kính Rôto d của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều dài l lại nhỏ,với tỉ lệ l/d = 0.15-0.2 Roto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe) trên mặt đó đặt các cực từ. Ở các máy lớn lõi thép đó được hình thành bởi các tấm Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 thép dày 1- 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép Roto được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1.5mm. Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình chữ T hoặc bằng các Bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép Roto. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây đồng tâm, cách điện giữa các vòng dây là các lớp Mica hoặc Amiăng. Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực. Dây quấn cản (trong máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy được đặt trên đầu các cực. Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt trong rãnh các đầu cực và được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch. Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó lớn hơn. Stato của máy điện đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như máy điện đồng bộ cực ẩn. Trục máy điện đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các máy bù đồng bộ, máy phát điện điêzen, máy phát turbine nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương đối lớn (khoảng trên 2000 vòng/ phút). Ở đây máy phát Turbine nước công suất lớn tốc độ chậm, trục máy được đặt thẳng đứng. Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đỡ rất quan trọng. Nếu ổ trục đỡ đặt ở trên đầu của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù. Ở máy turbine nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương đối dài và rất khoẻ vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của Roto máy phát, Roto Turbine nước và xung lực của nước đi vào Turbine. Như vậy kích thước xà trên đỡ rất lớn, tốn nhiều thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây dựng buồng đặt máy. Ở các máy phát Turbine nước kiểu dù, ổ đỡ trục trên xà dưới. Xà đỡ dưới được cố định trên nền gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ trục đỡ đặt ngay trên nắp của Turbine nước. Trong cả hai trường hợp đều giảm được vật liệu chế tạo (có thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 máy và buồng đặt máy đều thấp hơn trên cùng trục với máy phát Turbine thường có đặt thêm các máy phụ, máy kích thích, để cung cấp dòng một chiều cho cực từ của máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh, để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều chỉnh tự động của Turbine. 1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện. 1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện. Trong nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỉ lệ tương đối lớn 25%. Giá thành sản suất điện năng bằng thuỷ năng rất rẻ so với nhiệt điện do sử dụng nguồn năng lượng tái sinh ít ảnh hưởng xấu đến môi trường. Chính vì vậy ngành thuỷ điện trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng. Công suất lớn nhất của một tổ máy thuỷ điện là 750w, hiệu suất tổ máy là 92% - 96%. Công trình có công suất lớn nhất trên thế giới hiện nay là công trình Tam Hiệp (Trung Quốc) N = 18200MW. Các nước Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật Bản, Trung Quốc là nhhững nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền thuỷ điện phát trển. Việt nam có 124 hệ thống song với 2860 con sông có chiều dài lớn hơn 10km với trữ lượng thuỷ năng trên lý thuyết là 271.3 tỷ KWh/năm và trữ năng kỹ thuật khoảng 90 tỷ KWh/năm. Hiện nay chúng ta chỉ khai thác 20% trữ lượng dồi dào này. Hiện nay có các nhà máy thuỷ điện Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920MW, Yaly 720 MW, Trị An 400MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi 175MW, Hàm Thuận 300MW, Vĩnh Sơn 66MW, Sông Hinh 70 MW. Nước ta hiện nay thuỷ điện chiếm 60% công suất của hệ thống điện Việt nam, vào những đầu thập niên 21 khi nhu cầu phát triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều nguồn năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ tiền nhất cần phải khai thác triệt để nhất khi nguồn than nước ta không nhiều mà chi phí sản suất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện. Không những công trình thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong công việc cung cấp năng lượng mà còn là công trình thuỷ lợi tổng hợp và tránh thiên tai. Lợi ích trong phòng chống lũ ở các công trình thuỷ điện trên các hệ thống sông như sông Đà là vô cùng lớn. Sông Đà Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 cho sản lượng khoảng 31 tỷ KWh và đảm bảo an toàn cho Hà Nội và cho các vùng đồng bằng Bắc bộ. Ước tính khi mức lũ ở Hà nội vượt quá 13,3 m nếu dùng biện pháp phân lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu quan trọng để xây dựng đất nước. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện Nhà máy thuỷ điện là công trình thuỷ điện phát ra năng lượng điện dựa trên nguồn năng lượng cơ năng của dòng nước. Nhà máy thuỷ điện hoạt động dựa trên nguyên lý rất đơn giản nước trên các sông, các suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo một nguồn năng lượng. Để tập trung nguồn năng lượng người ta dùng hệ thống đập tạo nên cột cao áp tức là độ chênh cột áp trước đập và sau đập. Đập có hồ nước lớn để điều tiết lưu lượng lòng sông. Do đó nước sẽ chảy từ thượng lưu (trước đập) về hạ lưu (sau đập) rồi chảy vào buồng dẫn Turbine. Nước được buồng dẫn đưa đến bánh xe công tác. Do tác dụng của áp lực nước lên cánh bánh xe công tác làm cho trục Turbine quay. Trục Turbine nối liền với trục Roto máy phát làm trục Roto quay. Roto được cung cấp nguồn tự kích ban đầu nên có dòng điện chạy qua sẽ cảm ứng sang Stato sẽ phát điện cung cấp điện tới các trạm phân phối điện thông quan hệ thống máy biến áp. Nguồn điện năng này sẽ từ trạm phân phối được đưa đi khắp cả nước thông qua các hệ thống đường dây. 1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện Tuỳ thuộc và vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện được phân thành ba loại cơ bản: 1.2.3.1. Nhà máy thuỷ điện ngang đập Nhà máy thuỷ điện ngang đập là một phần công trình dâng nước, chịu áp lực nước thượng lưu, đồng thời cũng là công trình lấy nước nối trực tiếp với Turbine. Cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy. Do bản thân nhà máy nằm trong lòng sông nên loại nhà máy này gọi là nhà máy kiểu lòng sông. Với Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 đặc điểm trên kết cấu của nhà máy ngang đập có công suất lớn, trung bình thường lắp Turbine cánh quay trục đứng hoặc Turbine cánh quạt với cột nước < 20m. Những tổ máy có đường kính bánh xe công tác d1 = 10 – 10.5m, công suất tổ máy từ 120 – 150 MW, lưu lượng nước qua Turbine từ 650 – 700m3/s. Do lưu lượng nước qua Turbine lớn lên kích thước buồng xoắn và ống hút cũng phải lớn, người ta thường bố trí khoảng trống trong ống loe buồng hút để bố trí các phòng phụ. Nhà máy này thường bố trí phần điện ở hạ lưu còn phần thượng lưu thì thường bố trí đường ống dầu, nước và khí nén. Một đặc điểm quan trọng đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập là về mùa lũ cột nước công tác giảm, dẫn đến công suất giảm, trong một số trường hợp nhà máy có thể ngừng làm việc. Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thuỷ điện ngang đập kết hợp với hệ thống xả lũ. Phần qua nước của tổ máy bao gồm: Công trình lấy nước, buồng xoắn và ống hút cong. Đối với trạm thuỷ điện ngang đập cột nước thấp, lưu lượng lớn, chiều dài đoạn tổ máy thường xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút. Mặt nằm ngang chiều rộng cửa lấy nước bằng chiều rộng mặt cắt cửa vào buồng xoắn và kích thước của nó phù hợp với điều kiện lưu tốc cho phép qua lưới chắn rác. Chiều ngang đoạn tổ máy và chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn Turbine chiều dài ống hút, đồng thời với việc tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ với kích thước phần dưới của nhà máy. 1.2.3.2 Nhà máy thuỷ điện sau đập Nhà máy được bố trí ngay sau đập nước. Khi cột nước cao hơn 30 – 45m thì bản thân nhà máy vì lý do ổn định công trình nên không thể là một thành phần của công trình dâng nước ngay cả khi trong trường hợp tổ máy công suất lớn. Nếu đập dâng nước là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường dẫn nước Turbine được bố trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường dẫn ống nước Turbine được bố trí ở phía Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 hạ lưu của đập. Tuỳ vào cột nước công tác mà nhà máy thuỷ điện sau đập thường dùng Turbine tâm trục, Turbine cánh quay cột nước cao hay Turbine cánh chéo. Nhà máy loại này phần điện được bố trí phía thượng lưu sau đập trước nhà máy còn phía hạ lưu được bố trí hệ thống dầu và nước. 1.2.3.3. Nhà máy thuỷ điện đường dẫn Trong sơ đồ khi khai thác thuỷ năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp nhà máy thuỷ điện đứng riêng tách biệt khỏi công trình đầu mối. Cửa lấy nước đặt cách xa nhà máy. Trong trường hợp công trình lấy nước là không áp thì cửa lấy nước nằm trong thành phần của bể áp lực. Trong trường hợp công trình lấy nước là hầm có áp thì cửa lấy nước được bố trí ở đầu đường hầm và là công trình độc lập. Đường dẫn nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thuỷ điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí máy thuỷ điện kiểu ngang đập. Cả hai loại máy đường dẫn và sau đập đều sử dụng đường dẫn ống nước vào Turbine nên không chịu áp lực trực tiếp từ phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dưới nước và biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn. Nhà máy thường dùng với cột nước từ 30 – 45m < H < 250 – 300m. Ngoài cách phân loại cơ bản trên nhà máy thuỷ điện còn được phân loại theo vị trí tương đối của bản thân nhà máy trong bố trí tổng thể. + Nhà máy thuỷ điện trên mặt đất. + Nhà máy thuỷ điện ngầm được bố trí hoàn toàn trong lòng đất. + Nhà máy thuỷ điện trong thân đập. Ngoài ra nhà máy thuỷ điện còn nhiều kết cấu đặc biệt khác như kết hợp xả lũ dưới đáy hoặc trong thân đập tràn, trong trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với Turbine capxul, nhà máy điện thủy triều. Các loại nhà máy này là các nhà máy thuỷ điện đặc biệt. Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp mới, cách phân loại này phụ thuộc tổng quốc gia. Ở Việt nam sự phân loại theo tiêu chuẩn. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 TCVN: 5090 + Nhà máy thuỷ điện lớn: N ≥ 1000MW + Nhà máy thuỷ điện vừa: 15MW < N < 1000MW + Nhà máy thuỷ điện nhỏ: N ≤ 15MW Theo cột nước phân theo ba loại tuỳ theo cột nước công tác lớn nhất: + Nhà máy thuỷ điện có cột nước cao: Hmax > 400m + Nhà máy thuỷ điện có cột nước trung bình: 50m < Hmax < 400m + Nhà máy thuỷ điện có cột nước thấp: Hmax < 50m 1.2.4. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện Nhà máy thuỷ điện các thiết bị nhà máy được chia thành các loại: Thiết bị động lực, thiết bị cơ khí, thiết bị phụ và thiết bị điện. 1.2.4.1. Turbine thuỷ lực Thiết bị động lực bao gồm Turbine và máy phát. Các bộ phận cơ bản của Turbine là buồng dẫn nước vào, phần cơ khí thuỷ lực, bộ phận tháo nước, hệ thống điều khiển. Phụ thuộc vào cột nước mà nhà máy sử dụng mà Turbine có thể là: cánh quay, cánh quạt, tâm trục hay Turbine gáo. 1.2.4.2. Máy phát thuỷ điện Máy phát điện là động cơ biến cơ năng của Turbine thành điện năng cung cấp cho hệ thống điện. Máy phát thuỷ điện về nguyên tắc là máy phát thuỷ điện đồng bộ ba pha, các bộ phận chủ yếu của nó bao gồm Roto nối với trục Turbine trực tiếp hay gián tiếp qua hệ thống truyền động. Roto là nhiệm vụ tạo nên từ trường quay làm xuất hiện dòng điện xoay chiều trong các cuộn dây trong các ổ cực của Stator máy phát. Để đảm bảo tần số điện lưới không đổi, đạt tiêu chuẩn 50Hz thì yêu cầu Rotor máy phát quay với tốc độ không đổi khi có phụ tải và bằng tốc độ quay đồng bộ. Nếu trục Turbine và trục máy phát nối liền nhau thì tốc độ quay của Turbine bằng Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 tốc độ quay của máy phát và bằng tốc độ quay đồng bộ. Ngoài hai bộ phận chủ yếu là Rotor và Stator máy phát còn hệ thống khác như hệ thống kích từ, hệ thống làm mát máy, hệ thống bảo vệ, hệ thống phanh hãm tổ máy. + Hệ thống kích từ máy phát: Một mặt cung cấp dòng kích từ cho máy phát, mặt khác nó còn là hệ thống điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát cung cấp lưới điện nguồn điện áp ổn định khi tải thay đổi. + Hệ thống phanh hãm tổ máy: Để giảm bớt thời gian máy phát đang quay với tốc độ nhỏ, khi có độ dày màn bôi trơn trong các ổ trục giảm đi đáng kể gây nguy hại cho trục và ổ trục cần phải có hệ thống phanh tổ máy. Hệ thống phanh sử dụng là các kích sử dụng khí nén áp suất 0,6 – 0,8 MP có gối đệm áp sát guốc phanh dưới đáy Roto. Quá trình phanh hãm khi tốc độ Roto còn khoảng 25% - 30% tốc độ định mức. + Hệ thống làm mát: Khi làm việc với lõi sắt từ các cuộn dây điện đều sản sinh ra một lượng nhiệt lớn. Thông thường sử dụng các cánh quạt gắn bên trên và bên dưới Rotor, khi Rotor quay các cánh này tạo ra những chiếc quạt để quạt gió qua các rãnh làm mát của Rotor và Stator máy phát, gió được đẩy từ trong ra ngoài. + Hệ thống đo lường bảo vệ: Hệ thống này cung cấp những thông tin về tình trạng làm việc không bình thường của máy phát và tự động hoàn toàn việc dừng khẩn cấp khi các thông số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn. Hệ thống này bao gồm các mạch bảo vệ bằng tín hiệu (âm thanh, ánh sáng). Hệ thống cảnh báo sẽ làm việc khi có sự sai lệch so với chế độ làm việc bình thường của một bộ phận nào đó của tổ máy, còn tải sự cố chỉ trong trường hợp các chỉ số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn. 1.2.4.3. Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện a. Cửa van trên thành ống dẫn Turbine Các trạm thuỷ điện cột nước cao, cửa van trước buồng xoắn có công dụng tránh cho cánh hướng nước phải chịu áp lực nước khi ngừng làm việc, giảm tổn thất rò rỉ qua cánh hướng nước và cơ bản bảo vệ cho cánh hướng nước khỏi bị phá huỷ do Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 hiện tượng khí thực khi nước rò rỉ qua chúng với lưu tốc lớn. Khi bố trí cửa van trước buồng xoắn nó còn bảo vệ cho các tổ máy khỏi bị quay lồng khi các hệ thống điều khiển ngừng làm việc. Đối với các trạm có phương thức cấp nước độc lập, cửa van được bố trí dưới buồng xoắn tất cả các trường hợp với cột nước hơn 300m, hoặc đường ống rìa trên 300- 400m. Đối với các trạm thuỷ điện cấp nước theo nhóm với ống dẫn nước chung cho một số tổ máy thì cửa van được bố trí trên tất cả các ống riêng rẽ. Van đĩa được áp dụng cho tất cả các đường ống có đường kính từ 0.5 – 8.5m, với các đường kính nhỏ thì sử dụng cho các cột nước đến 600m. Đường kính ống lớn hơn 4m thì áp dụng cho cột nước dưới 170 – 230m. b. Cửa van cửa ra ống hút Cửa van cửa ra ống hút với mục đích sửa chữa Turbine, khi đó cần phải đóng cửa van này để bơm cạn nước buồng xoắn và ống hút. Cửa van này là cửa van trượt, phẳng, một tầng, nhiều tầng. Nó được để ở cửa ra, giữa hoặc đầu đoạn loe ống hút. Việc đóng mở van này có thể được bố trí cầu trục phía trên ống hút, thường là kiểu trục kiểu chân rê hoặc tời di động trên dầm cố định. c. Thiết bị nâng chuyển Thiết bị nâng chuyển chính trong nhà máy thuỷ điện là cầu phục vụ cho việc lắp ráp và sửa chữa tổ máy. 1.2.4.4.Thiết bị điện Thiết bị điện của trạm thuỷ điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến áp chính, trạm phân phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường và kiểm tra và điều khiển, thiết bị điều trung tâm. a. Máy biến áp chính Nhằm nâng cao điện áp tải điện đi xa. Phụ thuộc vào trạm thuỷ điện cung cấp mà điện áp cao thế máy biến áp có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao hơn. Máy biến áp chính về nguyên tắc được bố trí ngoài trời, chúng đòi hỏi việc làm mát bằng không khí hoặc bằng nước. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Các bộ phận chủ yếu là vỏ máy chứa đầu cách điện, ở trong nó là các cuộn dây và lõi thép từ. Máy biến áp được phân thành hai loại theo số cuộn dây. Loại hai cuộn dây và loại ba cuộn dây. Loại hai cuộn dây dùng để tăng áp lên một cấp điện áp. Loại ba cuộn dây dùng để tăng hai cấp điện áp cung cấp cho hệ thống điện khác nhau. Theo số pha người ta chế tạo ra máy biến áp một pha, máy biến áp hai pha, máy biến áp ba pha. Khả năng vượt tải tạm thời của máy biến áp trong một số ít giờ có thể đạt tới 30-40%, còn khả năng quá tải lâu dài đạt tới 5- 10%. b. Hệ thống điện lực tĩnh Phục vụ sản suất của bản thân trạm thuỷ điện chiếm khoảng 0.2 – 1.0% điện năng sản suất. Các bộ phận tự dùng được chia thành ba loại: Loại không cho phép mất điện khi làm việc (Các hệ thống đầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén, kích từ, phóng hoả, điều khiển máy cắt cầu dao, điều khiển các cửa van công tác, chiếu sáng trong nhà); loại cho phép mất điện tạm thời trong một thời gian ngắn (Hệ thống tháo nước tổ máy, thoát nước rò rỉ, chiếu sáng ngoài trời); Các loại cho phép mất điện trong một thời gian nhất định (hệ thống lọc và xử lý dầu, các xưởng sửa chữa, các kho chứa). Hệ thống điện dùng tuỳ theo loại mà sử dụng điện áp từ 220v- 10kv. Vì vậy cần có máy biến hạ thế nối trực tiếp máy phát hoặc với hệ thống thanh góp điện áp máy phát. 1.2.4.5. Các hệ thống thiết bị phụ Các hệ thống thiết bị phụ bao gồm: Hệ thống dầu, cấp nước kỹ thuật, khí nén phòng hoả, tháo nước sửa chữa và rò rỉ. a. Hệ thống dầu. Dung tích dầu của hệ thống bôi trơn thường chiếm khoảng 35% dung tích dầu vận hành. Dung tích dầu cách nhiệt máy biến thế phụ thuộc vào hình dạng và công suất của loại máy, thường cứ 1000kw cần 0,4T đối với máy biến thế lớn; 0,6 – 1T đối với máy loại vừa. Ngoài số lượng dầu đó ra, theo điều kiện kỹ thuật và quy phạm ở các trạm thuỷ điện cần phải có lượng dầu dự trữ sau đây: trong vận hành khi Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 đã dự trữ đầy dầu cho một tổ máy cần phải cộng thêm một lượng dự trữ hao hụt trong 45 ngày, trong hệ thống dầu bôi trơn cũng phải tăng thêm lượng dầu dự trữ như vậy. Đối với máy biến thế cần cộng thêm 1% lượng dầu toàn bộ của nó và máy cắt. Dung tích dầu ở một trạm thuỷ điện rất lớn có thể đạt tới hàng nghìn tấn. Bảo vệ lượng dầu như vậy trong nhà máy cần phải có hệ thống chống nóng, phóng hoả. Các trạm thuỷ điện, dầu dùng cho máy biến thế được chứa ở bể riêng. Trong vận hành tuyệt đối không được nhầm lẫm các loại dầu. Trong các hệ thống cung cấp dầu cần có các bộ lọc để loại trừ tạp chất và nước. Những nhà máy thuỷ điện lớn thường có thiết bị dầu tái sinh chủ yếu để phục hồi bản chất hoá lý của dầu. Đối với các trạm thuỷ điện nhỏ sự tái sinh dầu được thực hiện bằng các thiết bị đặt ở trạm dẫn dầu và từ đó đến tổ máy. b. Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật. Nước dùng cho các máy thuỷ điện gồm: Nước làm mát máy phát, làm mát dầu các ổ chặn, đôi khi làm trơn các ổ chặn dưới Turbine, làm mát thiết bị khí nén, máy biến áp. Sông nước chủ yếu để làm mát máy phát. Hệ thống cung cấp nước kỹ thuật có thể dùng các nguồn nước khác nhau. Nguồn cung cấp nước tốt nhất cho nhà máy là thượng, hạ lưu nhà máy thuỷ điện. Nguồn cung cấp nước kỹ thuật có mối quan hệ đến cột nước của trạm thuỷ điện. + Khi cột nước dưới 10m thì dùng máy bơm nước ở hạ lưu cung cấp cho tổ máy. + Khi cột nước dưới 10-15m đến 40-50m thì áp dụng hình thức lấy nước tự chảy ở hồ chứa phía thượng lưu hoặc lấy nước ở đường ống Turbine đối với nhà máy thuỷ điện sau đập. + Khi cột nước của trạm thuỷ điện hơn 40-50m thì lấy nước ở thượng lưu hồ chứa hoặc đường ống Turbine qua thiết bị giảm áp. Hệ thống đường ống cung cấp nước kỹ thuật thường bố trí dưới hạ lưu, thượng lưu đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập hoặc trên buồng dẫn Turbine đối với nhà máy thuỷ điện sau đập. Nước làm mát máy và các thiết bị khác sẽ theo đường ống chảy xuống hạ lưu. c. Hệ thống khí nén. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Hệ thống nén khí trong nhà máy chủ yếu để điều khiển tổ máy, hãm máy khi cắt tải phục vụ cho việc điều khiển, kiểm tra đo lường, dùng khí nén khi tổ máy làm việc ở chế độ bù đồng bộ và độ cao hút ẩm. Hệ thống khí nén của trạm bao gồm: máy nén khí, bình chứa khí, các đường ống dẫn chính, các đường phụ dẫn đến các thiết bị. d. Hệ thống tháo nước ở các tổ máy. Khi kiểm tra, sửa chữa ống hút, buồng xoắn cần phải tháo cạn lượng nước có trong đó. Trạm thuỷ điện hệ thống này phải bố trí hệ thống tháo nước và tập trung nước. Lưu lượng nước trong buồng xoắn và ống hút thường từ 8- 10 ngàn m3 . Khi độ cao hút dương và mực nước thấp, buồng xoắn đặt cao hơn mức nước hạ lưu thì dùng phương pháp tự tháo, phần nước còn lại dùng máy bơm bơm xuống hạ lưu. e. Hệ thống tiêu nước. Hệ thống tiêu nước ở các trạm thuỷ điện chủ yếu giải quyết vấn đề thấm nước qua bê tông, nền móng và khớp nối. Nó gồm các đường ống hoặc rãnh tiêu đặt ở cao trình rất thấp. Nước sẽ bơm ra khỏi nhà máy bằng máy bơm tự đóng mở tự động bằng rơle phao. 1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện. 1.2.5.1. Hệ điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện. Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng công suất điện tử của máy phát điện phát vào lưới.Công suất điện từ của máy phát cực lồi được biểu thị bằng công thức sau:  2sin)( 2 sin 2 0 qd qdd dt xx xx mU x mUE P  (1-1) Trong đó: m: số pha của máy phát. U: điện áp đầu cực máy phát. E0: Sức điện động cửa máy phát khi không tải. xd, xq: điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục của máy phát. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20  : góc lệch pha giữa U và E0 còn gọi là góc tải. Máy phát điện nhà máy thuỷ điện Thác Bà là loại máy phát cực ẩn, vì vậy xd = xq . Do đó công suất điện từ: sin0 d dt x mUE P  (1-2) Giả thiết có dòng điện kích từ Ilk = const, khi đó ta có sức từ động là hằng số, do đó sức điện động E0 = hằng số. Vì dung lượng của hệ thống điện là vô cùng lớn so với máy phát nên ta có thể coi điện áp và tần số là không đổi. Như vậy ta thấy rằng công suất điện từ chỉ phục thuộc vào góc lệch qua pha  . Ta có: Pdt = f( ) gọi là đặc tính công suất của máy phát. Góc  có ba ý nghĩa quan trọng:  là góc lệch pha về thời gian giữa E0 và U.  là góc lệch pha về không gian giữa sức từ động tổng sinh ra U và sức từ động F0 sinh ra E0.  là góc độ điện giữa trục cực từ và trục sức điện động tổng. Quá trình điều chỉnh là khi ta tăng công suất cơ đưa vào máy tức là đưa lưu lượng nước vào Turbine, khi đó mô men quay M1 của máy phát tăng lên làm cho Roto của máy phát quay nhanh lên, do đó góc lệch pha  lớn lên làm cho mômen điện từ Mdt tăng lên cho đến khi Mdt = M1, tốc độ của Roto được giữ đồng bộ quá trình cân bằng mới được thiết lập, nhờ sự thay đổi của góc  mà trạng thái cân bằng này có tính chất ổn định tĩnh. Từ đó ta có một số nhận xét sau: - Muốn điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát điện ta chỉ việc điều chỉnh công suất cơ đưa vào máy khi đó máy phát sẽ tự động điều chỉnh góc  để thay đổi công suất điện từ nghĩa là thay đổi công suất tác dụng phát ra của máy phát cho đến một trị số cân bằng mới. - Nếu tiếp tục tăng công suất cơ đến góc  >900 thì khi đó Pdt sẽ giảm đi, do đó khôngđảm bảo sự cân bằng về công suất. Công suất thừa sẽ kéo theo Rotor Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 quanh nhanh lên ta gọi đó là máy phát bị mất đồng bộ hay máy phát bị mất ổn định tĩnh. Khu vực 0 <  < 900 là khu vực vận hành ổn định. Khu vực 2  <  là khu vực vận hành mất ổn định. Ta lại có công suất của Turbine được xác định qua cột nước và lưu lượng qua Turbine với công thức: N = 9,81QH (1-3) Như vậy điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh tần số của máy phát. Khi tải tăng để tần số ổn định thì khi đó hệ thống điện sẽ phải tăng công suất tác dụng tức là tăng lưu lượng nước chảy vào Turbine. Đối với hệ thống chỉ có một tổ máy phát hoạt động độc lập thì đặc tính điều chỉnh là một đường nằm ngang. PP4P3P2P1 n dm Hình 1-1 Đồ thị đặc tính một máy hoạt động. Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh như vậy là bộ điều tốc có phản hồi mềm. Sai lệch tĩnh của hệ bằng không. Như vậy với bộ điều tốc này sẽ nhận bất giá trị của tải đều đảm bảo tần số ổn định. Tuy nhiên với hệ thống gồm nhiều tổ máy hoạt động song song thì đặc tính này vô hướng. Vì khi đó tần số sẽ không phụ thuộc vào tải. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân phối phụ tải cho các tổ máy làm việc song song. Trong thực tế đối với hệ thống làm việc với nhiều tổ máy thì các đường đặc tính trong tổ máy là những đường dốc (có sai lệch tĩnh) bởi khi đó các tổ máy sẽ làm nhiệm vụ phân phối phụ tải. Để làm rõ hơn quá trình phân phối phụ tải của các tổ máy. Ta xét hệ thống gồm hai tổ máy có công suất như nhau, hoạt động song song nhận phân phối 100% phụ tải. PP1P2P b2 ndm b1 n0 n Hình 1-2 Đồ thị đặc tính hai máy hoạt động song song. Tổ máy 1 nhận được phụ tải là P1, tổ máy 2 nhận được phụ tải là P2 . Ta nhận thấy đường đặc tính b2 dốc hơn b1 và P1 > P2, điều đó chứng tỏ đường đặc tính càng dốc nhận phân phối tải bé hơn. Như vậy ta có biểu đồ phân phối phụ tải. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 CK1 50% MF1 Rp1 MC1 BA1 MC1 MC2 BA2 MC2 Rp2 MF2 30% CK2 MC3 BA3 MC3 Rp3 MF3 20% CK3 Hình 1-3 Biểu đồ phân bố phụ tải các tổ máy 1.2.5.2. Hệ điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện. Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện chính là điều chỉnh giá trị điện áp ra máy phát. Công suất biểu diễn của máy phát biểu diễn bởi công thức: Q = dd qd qdd x mU x mUE xx xx mU x mUE 2 cos)( 2 2 cos 00   (1-4) Coi tốc độ quay của Turbine là không đổi, lưu lượng chảy vào của Turbine là không đổi vì vậy công suất cơ phát ra của Turbine không đổi chính vì vậy  không đổi, điện áp U phát ra ổn định không đổi. Như vậy quá trình điều chỉnh công suất Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 phản kháng máy phát chính là quá trình thay đổi E0 chính là quá trình thay đổi giá trị dòng kích từ máy phát. Khi tăng Ikt lên sẽ làm cho E0 tăng khi đó Q sẽ tăng. Khi giảm Ikt xuống thì sẽ làm cho E0 giảm khi đó Q sẽ giảm. Ta có đồ thị phản kháng điều chỉnh công suất phản kháng: U1 U Q1 Q2 Q U2 U10 U20 Ikt2 Ikt1 Hình 1-4 Đồ thị đặc tính công suất phản kháng. Như vậy khi phát ra càng lớn công suất phản kháng thì U càng giảm muốn ổn định điện áp U thì khi đó bộ điều chỉnh hệ thống kích thích sẽ tác động làm tăng dòng kích từ (Ikt1 đến Ikt2). Trong các tổ máy phát ra công suất S = P + iQ không đổi vì vậy tổ máy nào càng phát ra nhiều công suất tác dụng P thì phát ra càng ít công suất phản kháng. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 CHƢƠNG II: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TURBINE 2.1. Khái niệm cơ bản. Turbine là dụng cụ biến năng lượng dòng chảy của nước thành năng lượng quay cơ học. Do đó Turbine không những quyết định đến chất lượng điện mà còn ảnh hưởng đến kết cấu nhà máy của trạm thuỷ điện. Đặc biệt trong một vài bộ phận của Turbine như buồng dẫn và ống thoát nước thường có kích thước rất lớn, nó ảnh hưởng quyết định rất lớn đến kích thước và bộ phận dưới của nhà máy thuỷ điện. Hình 2-1 Mặt bằng cắt dọc Turbine nước. Nước từ ống áp lực chảy qua buồng dẫn Turbine 4 sau đó đi qua bộ phận hướng nước 2 rồi vào buồng bánh xe công tác cuối dùng theo ống hút 13 xuống hạ lưu của nhà máy. Trong quá trình đó dòng chảy qua bánh xe công tác tạo ra lực tác động lên bánh xe công tác sinh ra mô men quay làm quay Turbine máy phát. Turbine quay làm quay máy phát sinh ra nguồn điện cấp ra bên ngoài. Trục Turbine có hai đầu, đầu dưới có bích nối với vành trên của bánh xe công tác còn đầu trên cũng có bích nối với Rotor của máy phát điện. Stator của máy phát điện được tì lên khối bê tông lớn của nhà máy. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Toàn bộ phần quay của tổ máy phát điện thuỷ lực bao gồm bánh xe công tác, trục và Rotor của máy phát điện có một hệ thống ổ trục gồm: Ổ trục hướng và ổ trục chặn không cho chuyển vị theo phương thẳng đứng. Tải trọng đè lên ổ trục chặn (ở tổ máy trục đứng) gồm có trọng lượng phần quay của tổ máy và áp lực nước dọc trục tác dụng lên bánh xe công tác. Ổ trục chặn thường bố trí trên nắp Turbine còn ở các tổ máy nằm ngang tải trọng đó chỉ do áp lực nước. 2.2. Phân loại các loại Turbine. Ta xét phân loại Turbine theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công tác. Năng lượng dòng chảy truyền qua bánh xe công tác Turbine bằng độ chênh lêch giữa hai thiết diện ở trên thượng lưu và hạ lưu. g VVPP ZZH 2 )( 2 22 2 1121 21       (2-1) Trong đó: Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine. Z2 : Cột nước phía tiết diện ra của Turbine. P1 : Áp suất tiết diện vào Turbine. P2 : Áp suất tiết diện ra Turbine. V1 : Vận tốc tại tiết diện vào Turbine. V2 : Vận tốc tại tiết diện ra Turbine. Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng này người ta chia Turbine thành hai loại Turbine phản lực và Turbine xung lực. Trong Turbine xung lực, chỉ có động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn thế năng bằng không. Hệ Turbine này chỉ phát ra công suất nhờ động năng của dòng chảy, còn áp suất cửa ra và cửa vào của Turbine bằng áp suất khí trời. Turbine phản lực làm việc nhờ cả hai phần động năng và thế năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong Turbine này áp suất tại cửa lớn và cửa ra, trong bánh xe công tác dòng chảy biến đổi cả về thế năng và động năng. Trong đó vận tốc dòng chảy chảy qua Turbine tăng dần còn áp suất thì giảm dần. Máng dẫn của cánh Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 hình cô nên gây ra độ chênh áp giữa mặt cánh từ đó tạo ra mô men quay. Turbine phản lực dùng cho trạm có mức nước thấp còn Turbine xung lực dùng cho trạm mức nước cao và lưu lượng nhỏ. 2.2.1. Turbine phản kích. Là loại Turbine được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm cột nước từ 1,5 đến 600 m. Turbine phản kích bao gồm hệ Turbine tâm trục, cánh quay và các hệ Turbine mới: cánh chéo, cánh kép và capxun. Nhìn chung loại Turbine này sử dụng một phần thế năng và một phần động năng của dòng nước. Bánh xe công tác của Turbine phản kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở trước bánh xe công tác thường lớn hơn rất nhiều so với sau nó. Khi chảy qua kênh tạo bởi mặt cong của các dòng nước sẽ thay đổi hướng lên nó và làm quay bánh xe công tác. Phụ thuộc hướng dòng chảy tác động lên nó mà người ta chia Turbine phản lực thành nhiều loại: Turbine hướng trục, Turbine tâm trục, Turbine hướng chéo. 2.2.2. Turbine hƣớng trục. Hình 2-2 Cấu trúc turbine hướng trục Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 Có vành dưới nên nó chịu tác dụng lực kiểu dầm côngxôn tại nơi tiếp giáp cánh và bầu. Là loại Turbine trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi bánh xe công tác song song với trục quay của Turbine. Turbine hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều chỉnh bánh xe công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nếu cánh được gắn chặt bầu thì gọi là Turbine hướng trục cánh cố định. Nếu cánh có thể quay quanh trục thì gọi là Turbine hướng trục cánh điều chỉnh. Cánh có hình không gian cong có số cánh từ 3 đến 9. Loại Turbine này làm việc với cột nước 1,5 đến 40m. Turbine hướng trục cánh cố định thường được dùng cho các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ. Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh dùng cho các trạm thuỷ điện lớn. Turbine hướng trục cánh điều chỉnh có hiệu suất cao hơn trong phạm vi điều chỉnh rộng. Tuy nhiên các loại cánh điều chỉnh phức tạp và cơ chế điều chỉnh nằm trong bầu bánh công tác. Nhà máy thuỷ điện Thác Bà sử dụng loại Turbine này với cánh có điều chỉnh công suất 40KW. 2.2.3. Turbine tâm trục. Hình 2-3 Cấu trúc turbine tâm trục Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Trong Turbine tâm trục hướng dòng chảy của vùng bánh xe công tác ban đầu theo hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục. Turbine này được gọi là Turbine Franxic. Nó được sử dụng rộng rãi trong phạm vi cột nước cao H = 30-600m. Đối với trạm nhỏ Turbine này có thể làm ở cột nước H > 4m. Bánh xe công tác loại này thường rất khác so với bánh xe của loại Turbine hướng trục. Bánh xe công tác gồm có hệ thống gắn chặt với hai vành đĩa trên dưới tạo thành khối cứng. Cánh có dạng cong không gian có số cánh từ 12 đến 22 cánh. Turbine tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích hợp với trạm có cột nước ít thay đổi. Ở nước ta nhà máy thuỷ điện Trị An, Hoà bình, Yaly, Thác Mơ dùng Turbine tâm trục cỡ lớn và trung bình. Còn các trạm Tasa, Na ngần, Suối củn dùng các Turbine tâm trục cỡ nhỏ. 2.2.4. Turbine hƣớng chéo. Hình 2 -4 Cấu trúc turbine hướng chéo Để kết hợp với ưu điểm của hai loại Turbine hướng chéo. Dòng chảy chạy vùng bánh xe công tác có hướng tạo với trục quay một góc nào đó. Bầu cánh hình nón chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh như Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 Loại Turbine này làm việc với cột nước H = 30 – 150m. Nó có thể là Turbine điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất hiệu suất cao tương đối rộng so với Turbine tâm trục. 2.2.5. Turbine xung lực Turbine xung lực có các bộ phận chính vòi phun điều chỉnh lưu lượng, bánh xe công tác, vỏ, trục, bộ phận cắt dòng. Đặc điểm chung của Turbine xung kích là dòng chảy khi ra khỏi vòi phun tác động vào cánh bánh xe công tác ở dạng tia tự do trong môi trường áp lực không khí, chỉ cần sử dụng một phần động năng v2/2g và chỉ có một số bánh xe công tác đồng thời chịu tác động của tia nước, mặt khác bánh xe công tác bao giờ cũng đặt cao hơn mực nước hạ lưu. Turbine xung kích có ba hệ: gáo, tia nghiêng và xung kích 2 lần. 2.2.6. Turbine gáo. Hình 2 -5. Cấu trúc turbine gáo. Là loại Turbine sử dụng nhiều nhất. Phần dẫn dòng của nó gồm bánh xe công tác và vòi phun. Bánh xe công tác gồm nhiều cánh hình gáo được gắn liền lên trên bầu đĩa bánh công tác. Bánh công tác gắn liền trên trục Turbine, trục này gắn với máy phát. Thông thường Turbine gáo đặt ngang chỉ có một số Turbine cỡ lớn đặt thẳng đứng. Vòi phun gồm có các ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống dẫn hình côn có điều chỉnh lưu lượng ra. Dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun, từ đó dòng Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác động lên các cánh gáo tạo ra môme quay. Ngoài ra vòi phun còn làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh xe công tác. Turbine gáo làm việc với cột nước H =40 – 3000m và lớn hơn. Trạm thuỷ điện Đa nhim dùng Turbine gáo có công suất tổ máy là N = 40MW. 2.2.7. Turbine tia nghiêng. Turbine này khác Turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun vào bánh xe công tác dưới một góc nghiêng. Bánh xe công tác có hình cong gắn chặt lên hai đĩa bên trái bánh xe công tác có hình dạng đơn giản hơn Turbine gáo nên dễ chế tạo. Vòi phun này như của Turbine gáo. Turbine nghiêng được lắp tại các trạm thuỷ điện nhỏ. Hiệu suất Turbine này nhỏ hơn Turbine gáo. 2.2.8. Turbine tác dụng kép. Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh xe công tác hai lần: dòng chảy từ ngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi là Turbine tác dụng kép. Vòi phun của Turbine này có dạng tiết diện chữ nhật chứ không phải tiết diện tròn. Thay đổi lưu lượng nhờ thay đổi tiết diện thành trong vòi phun. Turbine tác dụng kép được ứng dụng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5- 100KW. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan Là loại Turbine hướng trục cánh quay với bánh xe công tác có thể điều chỉnh được. Hình 2 – 6a Cấu tạo của turbine Kaplan. 2.3.1. Buồng turbine Buồng turbine có tác dụng dẫn nước điều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước của Turbine, gồm các kiểu hở: hở chính diện, xoắn bêtông và xoắn kim loại. Buồng hở có cấu tạo đơn giản và có đặc tính thuỷ lực tốt hơn các kiểu buồng khác trong điều kiện cột nước H < 10m và đường kính d1 < 1,6m. Sau khi nước qua buồng Turbine, nước sẽ chảy đến Stator và bộ phận hướng nước. Đối với Turbine cỡ nhỏ Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 thì Stato và bộ phận hướng nước là một kết cấu cố định vào bánh xe công tác. Lúc đó việc điều chỉnh lưu lượng nhờ van trụ lắp ngoài các cánh hướng cố định. Hình 2 – 6b. Mô hình turbine Kaplan. 2.3.2. Stato. Stato Turbine có tác dụng đỡ toàn bộ tải trọng gồm có trọng lượng toàn bộ tổ máy, sàn nhà và bệ máy phát điện, áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác và khối bê tông phủ lên nó. Có hai kiểu là kiểu cột riêng rẽ và kiểu vòng. Turbine cánh quay sử dụng Stator kiểu vòng để tăng độ cứng. Stator lực là kết cấu chuẩn được lắp đặt đầu tiên. Số lượng các cột chống bằng nửa số lượng cánh hướng nước. 2.3.3. Bộ phận hƣớng nƣớc. Bộ phận hướng dòng có tác dụng: + Hình thành dòng chảy nhất định ở trước bánh xe công tác. + Điều chỉnh lưu lượng nước đi qua Turbine do đó thay đổi công suất phát của Turbine. Bộ phận hướng dòng gồm có hai thành phần chính: Các cánh hướng và cơ cấu quay cánh hướng. Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh, các cánh có thể quay quanh trục để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước. Độ mở a0 được tính bằng khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút các cánh tiếp xúc nhau (a0 = 0) và nước không thể đi vào bánh xe công tác. Còn vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì lúc đó lưu lượng chảy vào bánh xe công tác lớn nhất. Áp lực nước tác dụng lớn nhất lên bộ phận cánh hướng khi cánh hướng đóng hoàn toàn. Muốn quay được cánh hướng, cơ cấu quay cánh hướng phải có đủ lực để thắng được áp lực nước P tác dụng lên cánh hướng và lực ma sát trong chi tiết các bộ phận cánh hướng. Đồng thời phải đảm bảo khả năng quay các cánh hướng theo trị số độ mở a0. Hệ thống làm quay cánh hướng phải có lực rất lớn, vì vậy thường dùng là hệ thống thuỷ lực, cơ cấu điều chỉnh có thể là điện hoặc cơ. Hệ thống thuỷ lực là cơ cấu pittông xilanh, pittông thông qua hệ thống thanh truyền để nối với vành điều chỉnh góc mở cánh hướng. Pittông dịch chuyển trong xilanh nhờ quá trình chênh áp ở hai phía pittông. 2.3.4. Bánh xe công tác Turbine. Là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng. Cấu trúc của bánh xe công tác gồm có: Bầu, cánh, chap nước và bộ phận cánh quay bánh xe công tác. Tâm của phần cầu trùng với tâm của trục cánh quay. Khi làm việc cánh quay Turbine hướng trục chịu tác dụng của áp lực nước. Khác với cánh Turbine tâm trục các cánh ở đây không có mômen uốn lớn nhất. Áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác có thể đạt tới 240 tấn. Cũng như bộ phận cánh hướng, phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới có thể làm quay được bánh xe công tác. Động cơ tiếp lực được đặt trong bầu. Bộ phận cánh quay gồm có trục cánh, động cơ tiếp lực hệ thống thanh truyền nối liền với pittông của động cơ tiếp lực. Khác với turbine tâm trục, bánh xe công tác được bố trí thấp hơn bộ phận cánh hướng và đặt bên trong buồng bánh xe công tác. Đường kính lớn nhất của buồng được xem như là đường kính tiêu chuẩn của cánh quay. Hình dạng bánh xe công tác Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 phụ thuộc vào cột nước H. Nếu H lớn số lượng cánh bánh xe công tác sẽ tăng tỷ số 1 2 d d cũng như độ cao tương đối 1 0 d b sẽ giảm. 2.3.5.Trục và ổ trục. Là kết cấu chịu lực chính của Turbine. Trục Turbine là để truyền mômen xoắn từ bánh xe công tác đến Rotor của máy phát điện. Trục Turbine đứng là đoạn hình ống thành mỏng và có bích ở hai đầu. Phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu hoặc để dẫn khí xuống phía dưới bánh xe công tác. Ổ trục hướng có hai loại là ổ trục bôi trơn bằng dầu và ổ trục bôi trơn bằng nước. Các tấm bạc làm bằng cao su cứng được bôi trơn bằng nước. Đối với ổ trục bôi trơn bằng dầu thì các tấm bạc làm bằng hợp kim babit. 2.3.6. Bộ phận phụ của Turbine. Để đảm bảo sự làm việc bình thường của Turbine, phải có các bộ phận phụ bố trí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, thiết bị tháo nước rò rỉ, thiết bị dầu bôi trơn. 2.3.6.1. Van phá chân không. Khi đóng nhanh bộ phận hướng nước do phụ tải của tổ máy bị cắt đột ngột, áp suất phía trước bánh xe công tác bị giảm đi rất nhiều làm cho nước từ hạ lưu chảy ngược lên bánh xe công tác với giá trị rất lớn va đập vào Rotor tổ máy gây hỏng Turbine và tổ máy phát. Có thể ngăn ngừa hiện tượng trên nhờ đặt trên nắp Turbine một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới bánh xe công tác Turbine. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 2.3.6.2. Van Turbine. Van Turbine được bố trí ở ống áp lực và Turbine có tác dụng đóng không cho nước chảy vào trong Turbine khi có sự cố trong đường dẫn hay tổ máy cũng như khi sửa chữa chúng. Turbine cỡ lớn dùng các loại van: van đĩa, van cầu, van kim dùng các trạm có cột nước cao. Van công tác được đóng xuống dòng nước đang chảy với vận tốc lớn đòi hỏi phải đủ sức nặng, lực đóng phải lớn và luôn ở vị trí sẵn sàng làm việc. Hệ thống đóng mở là hệ thống thuỷ lực điều khiển tự động từ xa. 2.4. Các thông số đặc tính Turbine. 2.4.1. Cột áp Turbine. Cột áp Turbine được xác định bằng hiệu năng lượng riêng giữa tiết diện vào của Turbine và tiết diện ra. Cột áp Turbine xác định theo công thức: g VVPP ZZH 2 2 22 2 1121 21       (2-2) Trong đó: Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine. Z2: Cột nước phía tiết diện ra của Turbine P1: Áp suất tiết diện vào Turbine. P2: Áp suất tiết diện ra Turbine. V1: Vận tốc tại tiết diện vào Turbine. V2: vận tốc tại tiết diện ra Turbine. 2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine. Là lượng nước chảy qua Turbine trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu là Q (m3/s). Lưu lượng là đại lượng quan trọng làm thay đổi công suất Turbine phù hợp so với thay đổi của tải. Khi dòng chảy chảy qua bộ phận cánh hướng và sau đó qua bánh xe công tác, ta có công thức tính lưu lượng như sau: Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 2 2 2 01 01 2 2 2     ctg F U br ctgU U w gH Q tl    (2-3) Trong đó: tl là hiệu suất thuỷ lực. U1 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép vào bánh xe công tác. U2 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép ra bánh xe công tác. b0 là chiều cao cánh hướng. 0 là góc quanh cánh hướng. 2 góc đặt bánh quay công tác. 2.4.3. Công suất. Công suất được xác định theo cột áp và lưu lượng qua Turbine theo công thức: QH QH N 81.9 102   (2-4) Công suất hữu ích là công suất trên trục turbine bao giờ cũng nhỏ hơn công suất vì trong quá trình biến đổi luôn có tổn thất. Công thức xác định: Nh = N. t (2-5) 2.4.4. Hiệu suất. Hiệu suất Turbine xác định theo công thức: t = Nh /(9,81QH) (2-6) Hiệu suất Turbine là tích ba hiệu suất: t = tl . 0 . ck (2-7) Trong đó: tl : Hiệu suất thuỷ lực. 0 : Hiệu suất thể tích do tổn thất rò rỉ. ck : Hiệu suất cơ khí do tổn thất cơ khí. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine. Kích thước hình học của bánh xe công tác đặc trưng bởi đường kính d1. Số vòng quay của Turbine thông thường chính là số vòng quay của máy phát. Vì vậy khi chọn số vòng quay Turbine phải chú ý đến số vòng quay đồng bộ máy phát. p f N 60  N (2-8) Trong đó: p là số đôi cực máy phát. Hai đại lượng này đặc trưng cho kích thước và cỡ Turbine. Chúng có mối quan hệ mật thiết với nhau và được xác định bởi cột áp và lưu lượng của Turbine. Turbine có công suất lớn thì đường kính lớn. Nhưng Turbine có cột càng lớn thì số vòng quay càng lớn và kích thước càng nhỏ. 2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc. 2.5.1. Các yêu cầu với hệ thống điều tốc Turbine. - Làm việc trong tất cả các chế độ khác nhau của Turbine: Điều chỉnh tần số, điều chỉnh công suất, điều chỉnh nhóm các tổ máy. - Đảm bảo công suất phát, hạn chế công suất lớn nhất, công suất nhỏ nhất của Turbine phù hợp với cột nước và mức nước hạ lưu. - Cho phép chuyển từ chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác: Tại chỗ hoặc từ xa. - Đáp ứng nhanh khi tải đột biến. - Tự động khởi động hoặc dừng tổ máy trong điều kiện không có dòng xoay chiều của hệ thống từ dùng làm nhà máy. - Chống luồng tốc: Khi tải bị cắt đột ngột, hệ thống điều chỉnh gặp phải sự cố khi đó hệ thống dự phòng hoạt động đóng cánh Turbine và các cửa van trước Turbine. - Tự động điều khiển tổ máy ổn định ở các chế độ làm việc: Chạy không tải, mang tải độc lập và mang tải trên lưới. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 2.5.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Turbine. Trong quá trình làm việc của trạm thuỷ điện nhu cầu điện năng luôn luôn thay đổi trong phạm vi rất rộng. Nếu không có biện pháp điều chỉnh công suất do tác dụng của động cơ Turbine phát ra cho lưới điện thì sẽ thay đổi tần số điện quá giới hạn cho phép. Trong khi đó quy trình điện kỹ thuật vận hành, quy trình tần số không đổi, sai lệch tần số điện xoay chiều với giá trị định mức không quá: 0.2%. Tần số hoặc chu kì biến thiên của dòng điện trong một giây phụ thuộc vào vận tốc quay hoặc số vòng quay máy phát. 60 .np f  (2 - 9) Trong đó: f : Là tần số (Hz). P: Số đôi cực của máy phát. N: Số vòng quay Rôto của máy phát (vòng/phút). Trong đó với kết cấu máy đã định (p = const) thì tần số phụ thuộc vào tốc độ quay máy phát. Mặt khác theo phương trình chuyển động cơ bản ta có: Jd  /dt = Md – Mc (2-10) Trong đó: J: Là mô men quán tính của Roto tổ máy thuỷ lực.  : Tốc độ góc của Roto tổ máy. Md: Là mô men chuyển động của Turbine. Mc: Là Roto chuyển động của rôto tổ máy. t: Là thời gian. Như vậy muốn cho w = const thì d  /dt = 0 tức là Md = Mc. Mô men cản phụ thuộc vào tải nhà máy phát điện, còn mô men chuyển động phục thuộc vào công suất của Turbine có công thức liên hệ sau: Md = Nt / =  QH  /  (2-11) Từ phương trình ta thấy chỉ có điều chỉnh mômen chuyển động (hoặc công suất Turbine) bằng cách đổi lưu lượng Q, cột áp H, hiệu suất  . Việc thay đổi H và  về mặt kĩ thuật khó thực hiện và bất hợp lý. Thông thường người ta điều chỉnh lưu lượng Q. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Theo công thức (2-3) ta có: 2 2 2 01 01 2 2 2     ctg F U br ctgU U w gH Q tl    Như vậy lưu lượng thức tế chỉ thay đổi khi ta thay đổi một trong 3 đại lượng b0, 0 , 2 + Chiều cao cánh hướng b0. + Góc ra của cánh hướng 0 . + Góc ra đặt cánh bánh công tác 2 . + Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi b0 có thể thực hiện được bằng van chóp. Cách điều chỉnh này có thể ứng dụng cho Turbine cỡ nhỏ. Đối với Turbine cỡ lớn thì điều chỉnh b0 khó khăn phức tạp về mặt kết cấu, gây tổn thất nhiều về thuỷ lực. + Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng được sử dụng rộng rãi nhất. Đối với 3 loại Turbine (hướng trục, hướng chéo, tâm trục) người ta thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng. Khi góc cánh hướng thay đổi thì lưu lượng cũng thay đổi. + Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi góc bánh quay công tác 2 được ứng dụng kết hợp với điều chỉnh cánh hướng 0 . Turbine hướng trục và Turbine cánh quay có thể được điều chỉnh kép cùng một lúc thay đổi cả hai đại lượng 0 và 2 . Nhờ điều chỉnh này dòng đi ra khỏi cánh hướng luôn phù hợp với góc nghiêng của cánh bánh xe công tác. Hiệu suất lớn nhất không thay đổi trong phạm vi lớn khi thay đổi công suất. Trong thực tế điều chỉnh Turbine có khi phụ tải tăng thì số vòng quay của máy phát điện giảm. Ngược lại, giảm phụ tải thì số vòng quay của máy phát điện giảm. Chính vì vậy cần phải thay đổi góc mở cánh hướng để thay đổi lưu lượng giữ cho số vòng quay không đổi và tần số luôn ổn định với tần số định mức. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine. Xét đặc tính điều chỉnh n = f(P) khi H = const và a = const. (a là góc mở cánh hướng) Khi đó đặc tính điều chỉnh là một đường dốc: PP2P1 a2 a1 a3 n0 n1 n2 n Hình 2- 7. Đường đặc tính cơ bản của Turbine. Trên đồ thị ta có chế độ làm việc bình thường thì với tải định mức P1 thì Turbine quay với vận tốc định mức n1, vận tốc không tải n0 và góc mở cánh hướng định mức a1. Khi tải tăng đến giá trị P2 sẽ làm cho vận tốc bị giảm xuống n2. Để ổn định tốc độ khi tăng tải thì ta phải điều chỉnh góc mở cánh hướng tới góc mở a2. Như vậy khi tải thay đổi các giá trị P1,P2, P3, P4, P5 thì phải đảm bảo tần số thì góc mở cánh hướng sẽ phải thay đổi ứng với giá trị a1, a2, a3, a4, a5. Ta có họ các đặc tính: Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 n n01 n02 n04 a1 a3 amax P1 P2 P n1 n2 ndm n03 nlt a4 a2 adm P3 P4 PmaxPdm Hình 2-8. Họ các đặc tính khi a thay đổi. Trên đồ thị đặc tính điều chỉnh biểu diễn mối quan hệ n = f(P), (H = const). Thực tế ta thấy đường thẳng n = f(P) là một đường dốc, bởi nếu là đường nằm ngang (với bộ điều tốc phản hồi mềm) thì nó là đặc tính vô hướng không phụ thuộc vào tải, như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân bố phụ tải cho các tổ máy làm việc song song. Tần số làm việc định mức là nđm. Chế độ tải định mức Pđm khi đó Turbine sẽ quay với tốc độ định mức (nđm) và khi đó hướng cánh quạt mở ở ađm (như trên hình vẽ). Khi phụ tải thay đổi ứng với giá trị P1, P2, P3, P4, Pmax thì khi đó tốc độ của Turbine sẽ thay đổi theo đường đặc tính. Như vậy đảm bảo cho tốc độ quay của Turbine không đổi thì phải tác động mở cánh hướng ứng với góc mở a1, a2, a3, a4, amax. (amax là góc mở lớn nhất ứng với phụ tải tăng lớn nhất). Như vậy từ sự thay đổi của phụ tải ta đã xác định được độ mở của cánh hướng để đảm bảo n = const, H = const. Từ đó ta xác định được đường đặc tính công tác biểu diễn a = f(P). Ta có đồ thị đặc tính là quỹ tích của các điểm (a1, P1); (a2, P2); (a3, P3); (a4, P4); (a5; P5). Từ đó ta xây dựng được đồ thị đặc tính điều chỉnh a = f(P) với n = const, H = const. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Pdm PmaxP4P3 adm a2 a4 PP2P1 amax a3 a1 a amin Hình 2-9. Đặc tính điều chỉnh turbine máy phát. Từ đồ thị ta nhận thấy P = 0 thì độ mở a vẫn khác 0. Bởi vì cần phải có một lưu lượng không tải Qkt ứng với độ mở cánh hướng nhỏ nhất amin thì mới khắc phục tổn thất trong Turbine mà chưa phát ra công suất có ích. Từ đồ thị ta thấy a = f(Q) là một hàm phi tuyến. Như vậy với đối tượng mang phi tuyến khi sử dụng bộ điều chỉnh truyền thống chất lượng điều chỉnh sẽ không cao. Xét đặc tính điều chỉnh n= f(P) khi H thay đổi (a = const) P3 n1 PP2P1 n0 n H2 H3 H1 Hình 2- 10. Đường đặc tính cơ với H thay đổi. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Như vậy các đường đặc tính H thay đổi gần giống với các đường đặc tính góc mở cánh hướng a thay đổi. Khi H càng lớn thì lượng tải phát ra càng lớn hơn và góc điều chỉnh mở theo hướng tăng góc a càng bé. Nếu H quá lớn hơn giá trị cho phép khi đó phải điều chỉnh đóng cánh hướng nước để giảm bớt lưu lượng nước chảy vào. Khi H xuống thấp một giá trị Hmin khi đó dùng góc amax thì tôc độ vẫn ở dưới mức làm việc. Khi đó một số loại Turbine việc điều chỉnh cánh hướng phải kết hợp với điều chỉnh bánh xe công tác (tăng diện tích tiếp xúc giữa cánh với nước) khi đó mới đảm bảo tốc độ trở về giá trị định mức. 2.5.4. Phân loại bộ điều tốc. Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích dưới từng góc độ khác nhau người ta có nhiều cách khác nhau để phân loại bộ điều tốc. Nếu xét theo nguyên lý tác động có thể chia bộ điều tốc thành 2 loại sau: 2.5.4.1. Bộ điều tốc tác động trực tiếp. Tín hiệu sai lệch qua khuếch đại truyền trực tiếp đến bộ điều chỉnh không thông qua một cơ cấu trung gian nào. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 DÉn n¦íc vµo Turbine 3 S' S 2 4 H' H 1 Hình 2-11. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động trực tiếp. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 2.5.4.2. Bộ điều tốc gián tiếp. Quá trình truyền tín hiệu đến bộ phần điều chỉnh còn qua một số phần tử trung gian là tăng độ chính xác và ổn định hệ thống. 1 H H' 4 2 S S' 3 DÇu håi DÇu tõ nguån §ãng më DÇu håi Z Hình 2-12. Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc tác động gián tiếp. - Nếu xét theo đặc điểm sơ đồ điều chỉnh thì bộ điều tốc gồm các loại sau: + Bộ điều tốc có phản hồi. + Bộ điều tốc không có phản hồi (phản hồi hay còn gọi là mối liên hệ ngược). - Nếu xét theo phương pháp điều chỉnh Bộ điều tốc được phân loại như sau: + Bộ điều tốc cơ khí. + Bộ điều tốc cơ thuỷ lực. + Bộ điều tốc điện thuỷ lực. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Trong các loại bộ điều tốc này thì bộ điều tốc điện thuỷ lực hiện nay được dùng phổ biến hơn cả. Bộ điều tốc thuỷ lực có dạng như hình vẽ sau: Trong bộ điều tốc turbine thuỷ lực thì cơ cấu chi tiết bên trong được mô hình hoá như hình 2-14 như sau: Hình 2.14. Cấu tạo chi tiết bộ điều tốc cơ khí thuỷ lực. Theo sơ đồ kí hiệu thứ tự sau: 1. Ống cung cấp dầu áp lực. 2. Van tự cho khởi động và ngắt. 3. Bộ chuyển đổi. 4. Bộ điều chỉnh Turbine. 5. Điều khiển Pittông. 6. Van Pilot. 7. Van phân phối chính. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 8. Thanh kéo. 9. Van ngắt 10. Cung cấp dầu áp lực. 11. Đo tốc độ turbine. 12. Ống dẫn. 13. Thiết bị đóng ngắt. 14. Bộ biến đổi tần số cho phản hồi. 15. Bộ giới hạn độ mở động cơ. 16. Khoá giới hạn vị trí của độ mở. 17. Đồng hồ đo vị trí của độ mở. 18. Bộ chuyển đổi vị trí cho đồng hồ đo vị trí độ mở. 19. Động cơ cho giới hạn độ mở. 20. Khoá giới hạn cho bộ chuyển đổi vị trí độ mở. 21. Thiết bị đo vị trí giới hạn. 22. Các giới hạn độ mở. 23. Bộ phản hồi cơ khí. 24. Quả cân. 25. Động cơ Secvor. 26. Cánh hướng. Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật bán dẫn điện tử các bộ điều tốc Điện - Thuỷ lực ngày càng được sử dụng một cách rộng rãi, nó đáp ứng tốt hơn về yêu cầu điều chỉnh: Điều khiển nhóm tổ máy, điều khiển phức tạp và chất lượng điều chỉnh. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 Ta có sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh: B§C SERVO 1 CCCH TURBINE U®k  Q Mc ® (-) (-) SERVO 2 Hình 2-15. Sơ đồ hệ thống điều chỉnh tốc độ. Như vậy cũng giống như ở cơ cấu Cơ - Thuỷ lực, các Servo1 và Servo2 là các hệ thống van trượt và pittông, xilanh. Quá trình dịch chuyển pittông trong hai xilanh là do sự chênh áp dầu áp lực (giống cơ cấu Cơ - Thuỷ lực). Tuy nhiên, có sự khác nhau là trong hệ thống Điện - Thuỷ lực, quá trình điều khiển dầu chảy vào các servo nhờ sự phát ra tín hiệu điện (Uđk) từ bộ biến đổi. Tín hiệu này đã tác động lên hệ thống Điện – Khí nén để tác động lên một lực vào kim van trượt. Kim van trượt ra khỏi vị trí cân bằng và vì vậy dầu có thể chảy vào các servo. CCCH: Cũng là cơ cấu cánh hướng và cơ cấu cánh công tác. Hai đại lượng 0 , 2 là độ mở cánh hướng và cánh bánh xe công tác sẽ được tác động đồng thời theo nguyên tắc điều chỉnh kép. Mc là nhiễu phụ tải tác động. Cơ cấu do người ta không dùng quả văng mà người ta có thể sử dụng các quả biến quang. Cảm biến này sẽ được đặt tại cánh quay bánh xe công tác. Khi cánh quay các cánh này sẽ che mất tia sang do cảm biến chiếu vào. Mỗi khi che như vậy cảm biến sẽ phát ra một xung. Tốc độ càng tăng số lượng xung phát ra càng nhiều hơn. Các xung điện này sẽ qua bộ biến đổi trở thành các tín hiệu điện áp và sẽ được đưa vào bộ điều chỉnh. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 Bộ điều tốc điện thuỷ lực hiện nay có hai loại cụ thể: + Bộ điều tốc có kí hiệu ЭΓР là loại dùng cho điều chỉnh đơn. + Bộ điều tốc có kí hiệu ЭΓРΚ là loại dùng cho điều chỉnh loại turbine cánh quay (Turbine KapLan), bộ điều tốc này có tác dụng điều chỉnh kép. Đối với loại Turbine cánh quay người ta thường sử dụng bộ điều tốc điều chỉnh kép. Sự điều chỉnh kép ở cánh Turbine có tác dụng điều chỉnh số vòng quay và duy trì sự liên hệ giữa độ mở cánh hướng và góc quay cánh bánh xe công tác nhằm đạt hiệu suất cao. 2.5.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc. Turbine trong đó có xảy ra một quá trình điều khiển nào đó được gọi là đối tượng điều chỉnh. Đại lượng cần giữ ở một mức độ nào đó hay thay đổi theo chương trình cho trước thì gọi là thông số điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tốc độ Turbine là tổng hợp các cơ cấu thiết bị, các cơ cấu thiết bị đó có nhiệm vụ cảm ứng sự thay đổi tốc độ và tác động lên cơ cấu điều chỉnh, cơ cấu điều chỉnh sẽ tác động lên cơ cấu chấp hành tác động vào đối tượng điều chỉnh nhằm ổn định giá trị tốc độ theo đại lượng đặt. Ta có sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh: CB (-) ®  PT Q CCCHBK§B§C NL Hình 2 – 16. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh. CB: Bộ phận đo làm nhiệm vụ nhận các tín hiệu điều chỉnh sau đó đưa về so sánh tín hiệu đặt để ổn định tín hiệu đó. BĐC: Làm nhiệm vụ điều chỉnh các đối tượng điều chỉnh nhằm ổn định hệ thống, đảm bảo chất lượng bộ điều tốc. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 BKĐ: Là bộ khuếch đại tín hiệu cần điều chỉnh, trong hệ thống Turbine khi tác động lên các đối tượng điều chỉnh cần tác động tín hiệu rất lớn. Bộ khuếch đại làm nhiệm vụ đó. CCCH: Có nhiệm vụ thay đổi các thông số của Turbine hoặc phụ tải (đó là những hệ thống cánh hướng Turbine). Sự điều chỉnh Turbine nước cũng có nhiều điểm khác so với điều chỉnh các loại động cơ khác. Một trong những đặc điểm đó là lưu lượng chảy qua cơ cấu điều chỉnh rất lớn (hàng trăm m3/s) nên kích thước cơ cấu điều chỉnh phải rất lớn. Bộ điều chỉnh cần có lực chuyển dời lớn. Để điều khiển cơ cấu hướng nước của Turbine cỡ lớn cần có lực tác động hàng trăm tấn. Vì vậy sau cơ cấu điều chỉnh cần có bộ khuếch đại bằng thuỷ lực. 2.5.5.1. Cấu tạo. + Cơ cấu đo bao gồm con lắc li tâm, con lắc li tâm quay được nhờ động cơ điện có mối liên hệ bằng cơ hay điện với trục Turbine. Con lắc li tâm nối với tay đòn nhờ hộp trục còn đầu kia tay đòn với đầu của van trượt. Khi con lắc quay hai quả vôlăng sẽ văng ra xa sẽ tác dụng một lực lên tay đòn để tác động đến bộ khuếch đại. + Bộ khuếch đại là hệ thống van trượt và động cơ tiếp lực điều đó cho phép dùng quả vôlăng có khối lượng nhỏ mà độ nhạy khá cao có thể chuyển dời kim lắp trong van trượt đó. Con lắc liên hệ với van trượt qua tay đòn. Chất lỏng có áp (Dầu có áp) được dẫn vào van trượt, van này có nhiệm vụ phân phối đầu vào các ngăn của động cơ tiếp lực. Lực tác dộng của động cơ tiếp lực phụ thuộc vào kích thước và áp suất dầu áp lực. Cấu tạo động cơ tiếp lực bao gồm có một pittông chuyển động trong một xilanh và pittông này đối với vành điều chỉnh bộ phận hướng dòng qua thanh kéo đẩy. Van trượt với hai thanh ngăn của động cơ tiếp tục nhờ hai ống dầu đặt ở hai đầu của xilanh. Cấu tạo van trượt gồm có vỏ hình trụ và một kim trượt ở trong đó. Trên thành vỏ có khoét năm lỗ nhỏ, lỗ ở giữa được thông với dầu có áp, lấy từ thiết bị Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 dầu có áp tới van trượt qua cửa này. Hai lỗ làm việc thông với hai ngăn tương ứng của động cơ trợ lực qua hai ống dẫn dầu. Hai lỗ xả dầu trên và dưới cùng thông với các thùng xả dầu. Như vậy khi chuyển dịch dời khỏi vị trí cân bằng thì dầu áp lực sẽ đi từ lỗ giữa vào một ngăn nào đó cả động cơ trợ lực, còn dầu áp trong ngăn khác sẽ đi từ lỗ làm việc tới lỗ xả và trở về thùng xả. Hai phía pittông của động cơ trợ lực có trênh áp sẽ làm dịch chuyển bộ phận điều chỉnh Turbine. + Cơ cấu chấp hành là hệ thống các cánh hướng nước và các cánh quay bánh xe công tác. Hệ thống cánh hướng và cánh bánh xe công tác có thể thay đổi góc mở nhờ vành điều chỉnh. Khi vành điều chỉnh quay sẽ làm cho hệ thống cánh hướng xoay. Mỗi Turbine có một vành điều chỉnh cánh hướng, việc quay vành điều chỉnh được thực hiện nhờ động cơ trợ lực. Mỗi vành điều chỉnh có hai động cơ trợ lực gồm có hai pittông liên hệ hai bên vành điều chỉnh nhờ hai thanh truyền. Như vậy khi hai pittông chuyển động trong xilanh sẽ làm cho vành điều chỉnh quay. + Khâu phản hồi và hệ thống phản hồi mềm, nhờ khâu phản hồi mềm mà khi tải thay đổi bộ điều tốc này sẽ ổn định với số vòng quay bằng số vòng quay định mức. 2.5.5.2. Nguyên lý điều chỉnh kép. Giả sử khi phụ tải thay đổi cụ thể giảm phụ tải. Khi đó vận tốc tăng con lăng sẽ quay nhanh và văng ra xa hơn sẽ làm cho pittông của động cơ trợ lực của bộ phận hướng dòng dịch sang trái để đóng bộ phận cánh hướng, vì pittông trợ lực của bộ phận cánh hướng này có mối liên hệ với đòn làm cho nêm của bộ phận liên hợp sẽ dịch chuyển sang bên phải dây ròng rọc của thanh đòn (nối với kim van trượt bánh xe công tác) lên trên làm cho kim trượt của bánh xe công tác trượt xuống cho dầu áp lực vào ngăn trên của động cơ trợ lực đẩy pittông của nó đi xuống để quay bánh xe công tác về phía đóng. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 2.5.5.3. Thiết bị dầu có áp máy điều tốc. Thiết bị dầu có áp được sử dụng để cung cấp dầu có áp cho hệ thống điều chỉnh tổ máy thuỷ lực, ngoài ra nó còn được dùng để thao tác các loại van như van xả không tải, van đĩa, van cầu. Thiết bị dầu có áp kiểu buồng hơi, dầu có áp từ máy bơm dầu không đi trực tiếp vào van trượt mà đi vào nồi hơi. Nồi hơi có 30% - 40% thể tích dầu có áp và phần dung tích còn lại của nồi hơi là không khí nén với áp suất 20 – 40 atmotphe. Khi chưa điều chỉnh tốc độ do đường kính cửa sổ van trượt nhỏ hơn đường kính kim van trượt nên dầu không thể ra ngoài vào các servo. Điều chỉnh dầu có áp lấy từ buồng hơi ra ống dẫn dầu và đưa vào các ngăn tương ứng. Như vậy nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống điều chỉnh được lấy từ buồng hơi, còn máy bơm dầu chỉ có tác dụng bổ xung lưu lượng với áp suất dầu nhất định cho nồi hơi. Vì vậy bơm dầu không cần phải làm việc liên tục. Quá trình điều khiển hệ thống bơm dầu nhờ rơle sẽ tác động tắt nguồn máy bơm. Dầu bổ xung cho buồng hơi được lấy từ thùng xả. Từ đây máy bơm dầu sẽ bơm dầu qua van một chiều đi vào nồi hơi. Khi áp lực dầu quá tăng so với giá trị cho phép thì van an toàn mở không cho phép dầu vào nồi hơi nữa. Thiết bị dầu áp lực thường có hai máy bơm, một chiếc làm ở chế độ dự phòng. 2.5.6. Tính toán thông số chính của điều tốc Turbine. 2.5.6.1.Các thông số đặc trưng. - Công suất Turbine: N = 9,81  QH N = 0,9.1489,13.30 = 41100 (KW) (2-13) - Số vòng quay đặc trưng: ns = 4 HH Nn (2-14) ns = 4 3030 41100.4,136 = 95,371 Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 Theo Fapurt với ns = 95,371 tra biểu đồ quan hệ ns với kiểu Turbine và cột áp, ta được kiểu Turbine thiết kế là loại Turbine KapLan với các thông số sau: n’Itư = 58 (v/p); n’Itt = 62 (v/p) Q’Imin = 0,1 (m 3/s); Q’Imax = 0,18 (m 3 /s) Từ các thông số trên ta tính được đường kính bánh xe công tác của Turbine theo công thức: D 2 1 = ..'.81,9 2 3 ttI tt HQ N (2-15) D 2 1 = 9316,0.30.14,0.81,9 41100 2 3 = 2,37 D1 = 1,54 (m) Chọn D1 = 1,5 (m) Từ loại Turbine đã chọn có được các thông số hình học của Turbine thực như sau: b0/D0 = 0,1  b0 = 0,1. D0 =0,1.1,5 = 0,15 (m) (2-16) D0/D0 = 1,24  D0 = 1,24.D1 = 1,24.1,5 = 1,86 (m) (2-17) Chọn D0 = 1,8 (m) 2.5.6.2. Tính toán cánh hướng. Chọn cánh hướng: Vì dòng chất lỏng đi qua cánh hướng không trao đổi năng lượng do vậy nó tuân theo quy luật dòng chế Cu.r = const (2 - 18) Chọn cánh hướng theo tài liệu Đƣờng kính bánh công tác Số cánh hƣớng Z0 nhỏ hơn 2,5 m 16 2,5m – 6,5m 24 Lớn hơn 6,5 m 32 Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 Với D1 = 1,5 (m) chọn z0 =16 cánh Bước cánh hướng: T = 16 5,114,3 0 0   z D = 0,294 (m) (2 - 19) Để đảm bảo đóng kín hoàn toàn cánh hướng khi dừng Turbine chọn chiều dìa cánh hướng là L = 600mm Chọn loại frofin đối xứng có các kích thước như sau: Các kích thƣớc Mẫu Thực L0 172,6 750 R 11,5 50,0  28 121,7 L1 83,6 363,3 L2 89 64,3 C1 14,8 64,3 C2 14,8 64,3 C3 14,8 64,3 C4 14,8 64,3 C5 14,8 64,3 D1 1,5 6,5 D2 1,5 6,5 E 16,2 70,4 F 17,9 77,8 G 18,6 80,8 H 14,7 63,9 17,9 77,8 Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 2.5.6.3. Tính lực đóng mở cánh hướng. Khi cánh hướng đóng hoàn toàn, ta có: - Lực tác dụng lên cánh hướng: F’0 =   0 00 Z bD H’ (2-20) Trong đó: H’: Cột áp khi đóng cánh hướng có tính đến hệ số tăng áp. H’ = (1+  )Hmax  = 1,3 - 1,5 (2-21) - Mômen tác dụng lên cánh hướng: M’0 =   00 2 0 0 )( nb Z D H’ (2-22) n0 – độ lệch của cánh hướng, n0 = 0,05 (m) M’0 = 13658.5,2.1000.05,0.15,0) 16 8,1.14,3 ( 2  (kGm) - Lực lớn nhất tác dụng lên cánh hướng (tính đến ma sát thuỷ lực và ma sát tại các ổ đỡ): F0 = (1,2-1,3)F’0 = (9220-9988) (kG) (2-23) Chọn F0 = 9600(kG) - Mômen lớn nhất tác dụng lên cánh hướng (tính đến ma sát thuỷ lực và ma sát tại các ổ đỡ): M0 = (1,2 -1,3)M’0 = (163 - 177) (kGm) Chọn M0 = 170 (kGm) - Từ M0 ta tính được lực cần thiết của động cơ Servo tác dụng lên cánh hướng khi đóng hoàn toàn: Fc = Z0. K1. K2.K3. pl M 0 (2-24) - Ta xác định được các thông số theo tài liệu “Turbine thuỷ lực – các thiết bị thuỷ lực và công trình trạm thuỷ điện”. D = 3500 (mm) D0 = 3800 (mm) Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 Dc = 3300 (mm) lc = 200 (mm) lp = 200 (mm) Z0 = 16 cánh  = 70 o  = 80 o ; K1 = 1,2 K2 = yp cc Rl lR . . = 0,897 K3 =   sin cos = 0,35 FC = 16.1,2.0,897.0,35. 2,0 170 = 5124 (kG) Chọn FC = 5000 (kG) 2.5.6.4. Tính toán thông số động cơ secvô và cụm bơm. a. Tính động cơ tiếp lực: Ta có: dH = max 1 0 1 1 H D b D ZH  (2-25) Trong đó: dH là đường kính của xilanh. ZH : số xilanh của động cơ.  : hệ số phụ thuộc vào số cánh hướng. Số cánh hƣớng Z0 16 24 32 Hệ số  0,034 0,03 0,028 dH = 0,5.0,034.1,5. 58.1,0 = 0,0614 (m) Chọn dH = 60 (mm) theo tiêu chuẩn SHmax = (1,4  1,6)a0max (2-26) SHmax: độ dài lớn nhất của ĐCTL. a0max: độ mở của cánh hướng dòng. Ta có công thức: Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 a0max = 00 max vZb Q (2-27) Với v = tb bx tt F Q (2-28) v = 25,0. 806,10  =13,77 (m/s) Suy ra: a0max = 16.77,13.15,0 139,11 = 0,34 (m) = 340 (mm) SHmax = (0,476  0,544) (m) b. Chọn thiết bị áp lực dầu. Thể tích ĐCTL: VH = 4  d 2 H .ZH. H .SHmax (2-29) Với H : hệ số (0,7  1) VH = 4 14,3 .0,3 2 .2.1.0,5 = 0,07 (m 3 ) + Lưu lượng dầu có áp đi vào van trượt chính của máy điều tốc Qvt = 10 70  s H T V = 7 (l/s) (2-30) + Đường kính dẫn ống từ van trượt đến ĐCT dvt = d vt V Q  4 (2-31) Vd = 5 (m/s): vận tốc dầu có áp trong ống dẫn dầu. dvt = 5.14,3 10.7.4 3 = 0,042 (mm) Chọn dvt = 0,05 (mm) Kích thước của thiết bị dầu áp lực phụ thuộc vào thể tích nồi hơi, dung tích của nó phải đủ để đóng BPHN trong điều kiện bất lợi khi áp suất nồi hơi thấp hơn áp suất định mức từ 35%  40% đồng thời đủ để bổ xung lượng dầu rò rỉ. Thiết bị dầu có áp tính theo dung tích cần thiết của nồi hơi V, khi đó dung tích được tính như sau: Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 V = (18  20 )VH + (4  5)Vbx (cho turbine cánh quay) V = (18  20)VH + (9  10)Vbxk (cho turbine tâm trục có van xả không tải) V = (18  20)VH (cho turbine tâm trục) Trong đó: VH : tổng dung tích ĐCTL của BPHN. Vbx : tổng dung tích các ĐCTL của BXCT. Vbxk: tổng dung tích các ĐCTL van xả không tải. V = (1,26  1,4) (m 3 ) Chọn các thông số kích thước cơ bản của TBDAL như sau: Thiết bị áp lực: TBAL 1,6 Nồi hơi: thể tích nồi hơi là 1,6 m3 kích thước nồi hơi H = 2460 (mm) D = 1040 (mm) h1 = 385 (mm) trọng lượng: 1,7 tấn Thùng dầu: thế tích: 2,5 (m3) Kích thước: H = 990 (mm) L = 1600 (mm) B = 1800 (mm) A = 1250 (mm) Trọng lượng: 2,8 tấn Máy bơm dầu: Lưu lượng: 3,5 (l/s) Công suất: 19 (KW) Số vòng quay 2930 (v/p) Đường kính ống 50 (mm) Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 CHƯƠNG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE 3.1. Đặt vấn đề. Hệ thống điều tốc Turbine là một hệ thống điều khiển đa biến có mối liên hệ phức tạp giữa điện cơ và điện từ. Khi nghiên cứu bài toán với những điều kiện ban đầu, thông qua khai thác cơ sở và đo đạc thực tế ta thấy hệ mang tính phi tuyến mạnh. Trước hết nghiên cứu quá trình điện từ tác động lên quá trình điện cơ ta thấy: Với mỗi vùng tải (tải từ phía điện) sai số tốc độ khác nhau là rất lớn. Sai số tốc độ tại vùng tải nhỏ là nhỏ nhất (với điều tốc dải rộng), vùng tải nằm trong mức 85% - 95% tải định mức là tương đối nhỏ, vùng tải định mức thì sai số lớn hơn và vùng tải lớn nhất Nmax thì sai số lớn nhất. Như vậy, các quan hệ điện từ lên điện cơ không hoàn toán tuyến tính. Khi nghiên cứu quá trình điện cơ lên điện từ cũng vậy với các giá trị tốc độ khác nhau (trong lân cận cho phép sai số tốc độ). Khi tốc độ nằm dưới tốc độ định mức , sự sai khác điện áp là rất lớn. Trong khi đó cũng với sự sai khác này, nếu tốc độ nằm ở phía dưới vùng tốc độ trên vùng tốc độ định mức thì sai khác là nhỏ hơn nhiều. Như vậy hệ mang tính chất phi tuyến mạnh. Về sự tương tác dây chuyền giữa các quá trình ta cũng thấy rõ. Giả sử nghiên cứu quá trình nhận tải của máy phát, ngay tại thời điểm ban đầu điện áp ngoài việc bị sụt mạnh do điện kháng đồng bộ, do phản ứng gây nên. còn do lúc đó tốc độ sơ cấp bị sụt đột ngột vì hệ thống bơm nhiên liệu chưa kịp phản ứng. Điện áp tại thời điểm đó có độ sụt áp rất lớn dẫn đến hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phải hoạt động tạo tín hiệu cường kích để tăng nhanh điện áp hao hụt. Cứ như vậy sau một thời gian quá độ đủ để hệ thống tự ổn định. Sự tác động của hệ thống điện từ lên điện cơ đó là do mômen máy phát, mômen này chính là mômen phụ tải tác động lên hệ cơ. Mặt khác hệ tác động lên điện từ chính là sự tác động của tốc độ chính, tốc độc cũng sẽ làm thay đổi điện áp của máy phát. Như vậy sự tương tác giữa quá trình điện cơ và điện từ là một quá trình phức tạp, sự ràng buộc mang tính chất dây chuyền. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Một mặt do mối quan hệ giữa các thông số mang tính phi tuyến và mặt khác các thông số luôn thay đổi, chính vì vậy sẽ rất khó khăn khi xác định được bộ điều khiển theo phương pháp truyền thống. Nội dung của chương này sẽ mặc định các thông số ổn định, các quan hệ phi tuyến sẽ được tuyến tính hoá chính vì vậy sẽ dễ dàng cho việc tổng hợp và thiết lập bộ điều chỉnh hệ thống. 3.2. Mô hình toán học. 3.2.1. Khâu turbine. Ta có : Md – Mc = Jd /dt (3 -1) J là mô men quán tính của Rôto tổ máy thuỷ lực.  tốc độ góc của Rôto tổ máy. Md là mô men chuyển động của turbine. Mc là Rôto chuyển động của rôto tổ máy. t là thời gian. Md = Nt / =  QH  /  (3- 2)  Md(p) – Mc(p) = J.p.  (p)   H.  .Q(p)/  - Mc = Jp (p)  Kn.Q(p)- Mc = J.p.  (p) Mặt khác theo công thức (2-3) ta có: Q = 22 2 01 01 2 2 cot2 cot.     gF U br gU U gHlt   (3-3) Q = f( 0 )= KQ. 0 = dQ/d 0 ( 0 = dm ) Turbine là khâu quán tính vì vậy ta có thể mô hình toán học khâu Turbine. Mc KQ KnQ  Tnp + 1 Jp 1M Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Hình 3-1. Mô hình toán học khối Turbine. Ta có: Kn=  H  /  đm = 27,14 30.81,9 = 20,62 (3-4) J = GD 2 /4g = (kGm) 1050.103 4,0.27,2.10.4 7,0.17.10.40.182 ..4 ..182 2 3 0 2 0 1 ng TN S (3-5) Q = CgB A cot. (3-6) A = 520 14,27.1,52 27,14 30.10.9,0 . .. 2 2  r Hg   B = 02 1 b = 0,106 5,1.14,3.2 1  C = 07,075cot. 25,6 5,1 cot 02 2 2  gg F r  520 )106,075cot.106,0(77sin 106,0.51 )cot..(sin . 200222      gCgB BA d Q  Vậy KQ = 520. 3.2.2. Khâu khuếch đại. Hình 3-2. Hình vẽ động cơ thuỷ lực. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Động cơ thuỷ lực có công thức: x lRA PP dt d es . ....2     (3-7)  p.  (p) = Ks. p(x)   (p) = )(. px p K s Tính ra Ks = 5 Để làm dịch chuyển kim van trượt một đoạn là x cần phải có hệ thống điện khí nén khi tác động điện áp U(p) sẽ làm dịch chuyển đoạn x. Ta có: x(p) = )( 1. pU pT K x x  (3-8) Như vậy hàm truyền đạt động cơ thuỷ lực Ks pTxp + 1 (p)U(p) Kx X(p) Hình 3-3. Hàm truyền khối khuếch đại. Trong đó Kx = 0,2/10 = 0,02 Tx = 0,1 3.2.3. Các khâu đo. 3.2.3.1. Khâu đo vị trí. Sử dụng cảm biến đo vị trí là công tắc hành trình. Độ lớn mở cánh hướng sẽ tỉ lệ với điện áp đầu ra của khâu đo. Ta có hàm truyền khâu đo: Fu(p) = 1. pT K   (3-9) K  = 10/0,3 = 33; T  = 0,1 Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 3.2.3.2. Khâu đo tốc độ. Là cảm biến quang bao gồm một đầu phát và một đầu thu, khi phát thì ánh sáng sẽ phản xạ từ trục Turbine đến đầu thu. Tốc độ càng cao thì tần số lượng xung điện áp phát ra càng nhiều sau đó các xung này vào đầu vào của bộ biến đổi D/A chuyển về tín hiệu điện áp, điện áp càng cao ứng với tốc độ càng lớn. Ta có hàm truyền: 1 )(   pT K pF    (3 -10) K  = 10/50 = 0,2 T = 0,001 3.3. Tổng hợp hệ thống. 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí. Ks pTxp + 1 U® Kx x K Tp + 1 R U Hình 3-4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí. Với các tham số T  = 0,001; Ks = 5; Kx = 0,02; Tx = 0,005; K  = 33; Ta có: S01(p) = )1)(1()1)(1( .. 1    pTpTp K TpTp KKK xx sx   (3- 11) Do Tx và T  là những hằng số thời gian bé vì vậy áp dụng theo tiêu chuẩn modul tối ưu thì bộ điều chỉnh R  là một khấu khuếch đại R  = k. Ta cũng có: S01(p) = )1( 1  pTp K , trong đó T  = Tx + T  Hàm truyền đạt hệ kín: F1k = 1. . 1 . 1 . . .1 11 1 2 1 01 01       p kkkk TkkppT kk SR SR   (3-12) Mặt khác áp dụng theo tiêu chuẩn modul đối xứng ta có: Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 F1k= 12..2 1 22  TppT (3-13) Suy ra: 1. 1 kk = 2.T; T  = T 2 1 2 . T kk T   k = 1.2 1 KT Tính toán: T  = Tx + T  = 0,005+ 0,001 = 0,006 K1 = Ks.Kx.K  = 0,002.5.37 = 0,37  K = 37,0.006,0.2 1 = 252,5 3.3.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ. Ta có hàm truyền đạt kín mạch vòng vị trí F1k = 12..2 1 22  TppT 12 1   Tp = 1012,0 1 p (3-14) Như vậy ta có mạch vòng phản hồi tốc độ Rf Tp + 1 K KnUf®  Tnp + 1 Jp 1 2Tp + 1 1  KQ Q M Hình 3-5. Mạch vòng phản hồi tốc độ. Ta có: S02 = )1)(12)(1()1)(12)(1(. .. pTTppTp K pTTppTpJ KKK nn nQ      (3-15) Trong đó: K = 310.1050 62,20.520.2,0..  J KKK nQ = 0,02 (3-16) Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh PID có công thức: Rf = Kp + Kd.p + p K i Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: FDX(p) = 3322 8841 41 pTpTpT pT     (3-17) Ta có: Fh(p) = Rf.S02 = Rf. )1)(12)(1( pTTppTp K n (3-18)  Fk(p) =   h h F F 1 )1)(12)(1(. . pTTppTpKR KR nf f   (3-19) Hàm truyền đạt kín của bộ điều tốc áp dụng theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Fk(p)= FĐX  )1)(12)(1(. . pTTppTpKR KR nf f   = 3322 8841 41 pTpTp pT      )41)(1)(12)(1()1(.8.. 2  TTTppTpTTKR nf   )41)(12)(1(.8.. 2  TTppTpTKR f   (Kp + Kd.p + p K i ) )41)(12)(1(.8. 2  TTppTpTK  Thực hiện phép biến đổi ta được phương trình hệ số của phương trình đặc tính:            TTTKK TKKTTT TKKTT i p d 6..8 ..8.6.8 ..8..8 2 22 22 (3-20) Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67                             5,437 10.10.2.8 1010.6 ..8 6 875 )10.(10.2.8 10.10.6)10.(8 .8 .6.8 5,0 10.2 10 33 33 2 233 3323 2 2 3 3      TK TT K TK TTT K K T K i p d (3-21) Vậy bộ điều chỉnh tốc độ tìm được có hàm truyền là: Rf = 875+ p 5,437 + 0,5.p (3-22) 3.3.3. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh Turbine. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh turbine bằng phần mềm Mathlab Simulink của: “ The math Works”. 3.3.3.1. Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc trong Simulink. Mạch vòng điều khiển vị trí Hàm truyền tương đương Hình 3-6a. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vị trí. Hình 3 -6b. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 3.3.3.2. Kết quả mô phỏng. Hình 3 – 7. Kết quả mô phỏng với thông số PID như tính toán Hình 3 – 8: Khi tăng hệ số Ki Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 Hình 3 – 9: Khi tăng hệ số Kp. Hình 3-10: Đồ thị khởi động Turbine và cho ăn tải sau 40 giây. Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Kết luận chương Từ kết quả mô phỏng đã phản ánh đúng quá trình làm việc của bộ điều tốc. Quá trình khởi động bộ điều tốc turbine sau một thời gian hệ sẽ đạt tới trạng thái xác lập, sau khi hệ ổn định tại tần số định mức f = 50Hz sẽ đóng tải vào khi đó tốc độ sẽ bị giảm xuống tới một giá trị cho phép (< 2%) sau đó dưới tác động của bộ điều chỉnh tần số sẽ về trạng thái định mức nhưng đặc tính tốc độ không đạt như ban đầu. Từ kết quả mô phỏng cũng cho phép ta có thể hiệu chỉnh lại thông số của bộ điều khiển PID nhằm đạt được đáp ứng như mong muốn, một phương pháp điều khiển tốt hơn đó là phương pháp điều chỉnh tuyến tính LQ (Linear Quadratic). Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 CHƢƠNG IV: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU CHỈNH TURBINE 4.1. Giới thiệu chung: Lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính kinh điển đã cải thiện được đặc tính động học của các hệ thống, tuy nhiên ở một mô hình chính xác, các mô hình dưới dạng hàm truyền trở nên phức tạp nếu số bậc đa thức quá lớn. Khi đơn giản hóa mô hình để phù hợp với bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh thì đặc tính động học của bộ điều chỉnh cũng sẽ giảm. Gần đây, lý thuyết điều khiển tuyến tính hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi cho nhiều bài toán điều khiển, với sự trợ giúp mạnh mẽ của máy tính số, thời gian tính toán đã được rút ngắn rất nhiều. Phương pháp điều chỉnh tuyến tính LQ (Linear Quadratic) cho đối tượng có mô hình trạng thái tuyến tính sẽ được tác giả ứng dụng để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ Turbine thủy lực NMTĐ để nâng cao chất lượng điều chỉnh Turbine NMTĐ, cụ thể cho các đối tượng là mô hình SS_LN_0 và SS_LN_1. Đây là các đối tượng phi tuyến đã được tuyến tính hóa, xét ở lân cận điểm làm việc xác lập, có cấu trúc SISO và mang đặc điểm của một hệ pha không cực tiểu. Nội dung chương này sẽ trình bày tiếp cận phương pháp và tính toán, thiết kế các khâu điều chỉnh và mạch vòng điều chỉnh LQ, bao gồm: điều chỉnh phản hồi âm trạng thái LQR, điều chỉnh phản hồi đầu ra với tác động của nhiễu Gaussian LQG. Kỹ thuật LTR áp dụng cho LQG cũng sẽ được tác giả đề cập để xét đến khả năng bộ điều chỉnh LQG tiệm cận được chất lượng động học của LQR. 4.2. Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh LQ. 4.2.1. Bộ điều chỉnh LQR. Tính chất động học của bộ điều chỉnh LQR phải đảm bảo đưa hệ trở lại điểm cân bằng (hoặc điểm làm việc) cũ nếu hệ bị tác động của nhiễu tức thời đánh bật hệ ra khỏi Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 điểm đó đến một điểm trạng thái khác, với yêu cầu chỉ tiêu chất lượng toàn phương (Phiếm hàm mục tiêu):     t t TT dttFuttExt ux 0 min)]()()()([ 2 1 u(t))Q(x(t), (4.1) phải là nhỏ nhất khi hệ thống quay trở về trạng thái cũ. E  R nxn xác định bán dương và F  R rxr xác định dương, tương ứng là ma trận trọng số trạng thái E và điều khiển F, được quyết định bởi người thiết kế để mô tả mối quan hệ giữa các trạng thái của đối tượng và chi phí của quá trình điều khiển. Tuy nhiên cũng lưu ý rằng ta đang xét ở hệ lân cận điểm làm việc, tương ứng với việc dịch chuyển gốc tọa độ của hệ đến điểm làm việc và xét ổn định với tín hiệu bé tác động vào hệ này.       DuCx y BuAx dt dx (4.2) Ta đã có: A  R nxn , B  R nxm , B11  R nxm , C  R rxn ,D  Θ Trong đó: - Mô hình SS_LN_0: n = 5 - Mô hình SS_LN_1: n = 8 - Số biến đầu vào (biến điều khiển): m = 1. - Số đầu ra: r = 1 Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái được xác định: .K.BFR T-1LQR  (4.3) Với K là nghiệm xác định bán dương của phương trình đại số Riccati (CARE). E K.A -.K A -.K .BK.B.F TT-1  (4.4) Bộ điều chỉnh LQR đảm bảo mạch vòng kín ổn định với chất lượng được quyết định bởi các ma trận trọng số E, F đã chọn. Có một số phương pháp được nhiều tác giả Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 đề nghị cho việc lựa chọn giá trị khởi đầu của các ma trận E, F. Tuy nhiên, E và F vẫn phải được hiệu chỉnh một cách phù hợp để có được đáp ứng điều chỉnh tốt nhất bằng cách thử nghiệm đáp ứng. Hình 4.1 mô tả sơ đồ nguyên lý điều chỉnh LQR. Từ sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh LQR, ta có hàm truyền mạch vòng hở giữa u và u~ của sơ đồ điều chỉnh LQR được xác định: .BA)-.(sIK(S)H -1LQRLQR  (4.5) Phương pháp điều khiển LQR đạt được chất động học rất tốt, tuy nhiên nó đòi hỏi tất cả các biến trạng thái của quá trình đều phải đo được, điều này vừa không thực tế, vừa không kinh tế trong mọi trường hợp. 4.2.2. Bộ điều khiển LQG. 4.2.2.1. Bài toán tuyến tính có nhiễu. Mục tiêu của bài toán là làm sao có thể ước lượng được các trạng thái của mô hình MNTĐ ở (4.2), loại được tác động của nhiễu vào hệ, đồng thời phiếm hàm mục tiêu (4.1) đạt giá trị nhỏ nhất. Mô hình trạng thái hệ tuyến tính với sự tác động của nhiễu được mô tả:        y x nCx y nBuAx dt dx (4.6) Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 Trong đó nx(t), ny(t) lần lượt là nhiễu tác động vào quá trình (hệ thống) và nhiễu đo ở đầu ra. Giả thuyết chúng là nhiễu ồn trắng, có kỳ vọng bằng không. ny(t) không tương quan chéo với x(t) và nx(t) không tương quan chéo với x() với  < t. Các nhiễu nx(t), ny(t) có ma trận hàm tương quan là Nx  R nxn xác định bán dương, Ny  R rxr . 4.2.2.2. Bộ quan sát trạng thái (lọc) Kalman. Bộ điều chỉnh LQR đòi hỏi tất cả các biến trạng thái đều phải được phản hồi, điều này không thực tế và vì thế cần phải có các bộ quan sát. Bộ quan sát trạng thái Kalman có nhiệm vụ ước lượng trạng thái của đối tượng tuyến tính (4.2). Phương trình trạng thái của bộ quan sát Kalman:      xˆC =yˆ )ˆ(ˆ ˆ yyLBuxA dt xd (4.7) Trong đó xˆ là một ước lượng của trạng thái x và yˆ là ước lượng đầu ra y mà bộ quan sát thực hiện được. (4.7) có thể viết lại:        y u LBxLCAxCyLBuxA dt xd )(ˆ)()ˆ(ˆ ˆ (4.8) Hệ số L được tính: 1..  y T NCPL (4.9) Với P là nghiệm xác định bán dương của CARE. x T-1 y T N = A.P - P.A - .C.P.NP.C (4.10) Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 Hình 4.2 cho thấy cấu trúc của bộ quan sát trạng thái Kalman. Hình 4.2 Cấu trúc của bộ quan sát trạng thái Kalman Ma trận Nx , Ny mô tả phổ nhiễu quá trình và nhiễu đo đầu ra, chúng chỉ là các tham số của quá trình và được lựa chọn bởi người thiết kế. Nx phải là ma trận xác định bán dương và Ny xác định dương. 4.2.2.3. Bộ điều chỉnh phản hồi đầu ra LQG. Bộ điều chỉnh LQG là sự kết hợp giữa bộ điều chỉnh LQR và bộ quan sát trạng thái Kalman để điều chỉnh và kháng nhiễu cho hệ tuyến tính (4.6), với đầu ra trạng thái của bộ quan sát là đầu vào của bộ điều chỉnh LQR. Cấu trúc của bộ điều chỉnh LQR được trình bày ở hình (4.3). Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh LQG Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 Như vậy, về bản chất thì bộ điều chỉnh LQR và LQG đều có chung khâu điều chỉnh RLQR. Sự khác biệt giữa chúng là ở bộ điều chỉnh LQG các biến trạng thái không phải đo trực tiếp như LQR, mà chúng được ước lượng nhờ bộ quan sát Kalman. Chính vì điều đó mà bộ điều chỉnh LQG có biên ổn định kém hơn bộ điều chỉnh LQR, nhưng lại có khả năng kháng nhiễu tốt hơn LQR. Hàm truyền mạch vòng hở giữa u và û của sơ đồ điều chỉnh LQR trên hình 4.3 được xác định: .BA)-.LC.(sIL.C)B.KA-.(sIK(s)H -1-1LQRLQRLQG  (4.11) 4.2.2.4. Loop Transfer Recovery. Phương pháp điều chỉnh phản hồi trạng thái LQR khó thực hiện được do nó yêu cầu các trạng thái của hệ thống phải đo được. Việc sử dụng bộ quan sát Kalman để ước lượng trạng thái của hệ thống từ tín hiệu ra là một giải pháp rất tốt để giải quyết vấn đề trên, nhưng nó cũng làm cho đặc tính động học của bộ điều chỉnh LQR giảm chất lượng. Phương pháp Loop Transfer Recovery (LTR) dựa trên cấu hình của bộ điều chỉnh LQG, nhằm mang lại cho LQG đặc tính điều chỉnh tiệm cận đến đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh LQR, dù có sự tồn tại của nhiễu, trong đó các ma trận nhiễu Nx, Ny có vai trò quyết định đến phương pháp LTR. Viết lại hàm truyền mạch vòng hở của LQR và LQG từ (4.5) và (4.11): .BA)-.(sIK(s)H -1LQRLQR  (4.12) .BA)-(sI .LC.L.C)B.KA-.(sIK(s)H -1-1LQRLQRLQR  (4.13) Với việc hiệu chỉnh hệ số P để Ny = p.No (No là ma trận phổ nhiễu đo) đạt giá trị hợp lý, sao cho: Luận văn tốt nghiệp Cao học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 (s)H(s)H LQRLQG 0   Lim (4.14) Ta sẽ có được LTR, tức là bộ điều chỉnh LQG/LTR sẽ có đặc tính điều chỉnh của LQR với cùng các ma trận trọng số E,F. Để đạt được LTR, có thể kết hợp chọn BBNx ,. , σ càng lớn thì hệ càng dễ đạt đến LTR, nhưng cũng có thể có những tác động không mong muốn do hệ số khuyếch đại của hệ. Tuy nhiên với hệ pha không cực tiểu, khi các điểm không phía bên phải trục ảo không quá xa trục ảo, thì kỹ thuật LTR ít có hiệu quả. 4.3. Phân tích tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc. 4.3.1. Phân tích tính điều khiển được. Để thuận tiện trong việc trình bày, các