Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc cho các trạm thủy điện
bé n«ng nghiÖp vµ ph¸t triÓn n«ng th«n
viÖn khoa häc thñy lîi
b¸o c¸o tæng kÕt chuyªn ®Ò
nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc
cho c¸c tr¹m thñy ®iÖn
thuéc ®Ò tµi kc 07.04:
“nghiªn cøu, lùa chän c«ng nghÖ vµ thiÕt bÞ ®Ó khai th¸c vµ
sö dông c¸c lo¹i n¨ng l−îng t¸i t¹o trong chÕ biÕn n«ng,
l©m, thñy s¶n, sinh ho¹t n«ng th«n vµ b¶o vÖ m«i tr−êng”
Chñ nhiÖm chuyªn ®Ò: ThS nguyÔn vò viÖt
5817-6
16/5/2006
hµ néi – 5/2006
MỤC LỤC
Trang
§Æt vÊn ®Ò
1
3
3
PhÇn I
Lý thuyÕt c¬ b¶n cña thiÕt bÞ ®iÒu tèc
I.1.
Sù ®iÒu chØnh tua bin vµ sù ®iÌu chØnh tua bin vµ ph©n
lo¹i m¸y ®iÒu.
I.1.1.
I.1.2.
I.2.
S¬ l−îc vÒ lý thuyÕt vÒ ®iÒu chØnh tua bin thuû lùc
3
5
9
Giíi thiÖu c¸c lo¹i m¸y ®iÒu tèc trong tr¹m thuû ®iÖn
NHU CÇU C¸C LO¹I M¸Y ®IÒU TÈC TRONG TR¹M THUÛ
®IÖN
I.3.
XU H−ÍNG CHÕ T¹O C¸C LO¹I M¸Y DIÒU TÈC TRªN THÕ
9
GIÍI
I.4
ChÕ t¹o m¸y ®iÒu tèc ë ViÖt Nam
11
13
PhÇn II.
Nghiªn cøu, chÕ t¹o ®iÒu tèc ®iÒu chØnh
l−u l−îng vµ ®iÒu tèc ®iÒu chØnh phô t¶i
II.1
Nghiªn cøu xö dông c¸c bé vi xö lý (P), © th«ng dông
vµo viÖc chÕ t¹o m¸y ®iÒu tèc
13
II.1.1
II.1.2.
II.1.3
Lùa chän sö dông vi xö lý
13
13
15
øng dông vi xö lý 8051
Nghiªn cøu øng dông vi xö lý t¹i trung t©m nghiªn cøu
thuû ®iÖn nhá – ViÖn Khoa häc Thuû lîi
II.1.4.
Th«ng tin tõ n−íc ngoµi
17
II.2.
Nghiªn cøu më réng bé ®iÒu khiÓn ®iÒu tèc l−u l−îng
19
thµnh bé ®iÒu khiÓn ®a t¸c dông
II.3.
X¸c ®Þnh ph−¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tua bin
S¬ ®å ®iÒu khiÓn
20
20
23
23
23
24
25
26
26
II.3.1.
II.3.2.
II.4
S¬ ®å khèi chøc n¨ng
ThiÕt kÕ phÇn cøng
CPU
II.4.1
II.4.2
II.4.3
II.4.4
II.4.5
Khèi hiÓn thÞ
Khèi ®o l−êng tÇn sè
Khèi b¸o hiÖu mùc n−íc
TÝn hiÖu ®ãng m¸y sù cè bªn ngoµi
II.4.6
II.4.7
II.4.8
II.5.
C¸c c«ng t¸c thiÕt lËp gi¸ trÞ vËn hµnh
Khèi ®iÒu khiÓn
27
27
28
28
28
29
37
38
38
39
40
40
40
42
50
50
51
51
53
53
53
54
54
54
59
60
61
63a
Khèi cÊp nguån
X©y dùng phÇn mÒm ®iÒu khiÓn
Lùa chän ng«n ng÷
II.5.1
II.5.2
II.6
S¬ ®å khèi tÝnh to¸n chÝnh
ChÕ t¹o hoµn chØnh bé ®iÒu tèc
X©y dùng qui tr×nh vËn hµnh, söa ch÷a, b¶o d−ìng
§Ò xuÊt n©ng cao chÊt l−îng thiÕt bÞ
B¶n vÏ nguyªn lý
II.7
II.8
II.9
PhÇn III
III.1
Nghiªn cøu bé ®iÒu tèc ®iÒu khiÓn phô t¶i
Tæng quan
III.1.1
III.1.2
III.2
Th«ng tin tõ n−íc ngoµi
Lùa chän ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ
ThiÕt kÕ phÇn cøng
III.2.1
III.2.2
III.2.3
III.2.4
III.2.5
III.2.6
III.3
CPU
Khèi ®o l−êng tÇn sè
C«ng t¸c thiÕt lËp gi¸ trÞ vËn hµnh
Khèi ®iÒu khiÓn t¶i
§iÌu khiÓn kiÓu R¬le
Khèi cÊp nguån
X©y dùng phÇn mÒm ®iÒu khiÓn
Lùa chän ng«n ng÷
III.3.1
III.3.2
III.4
S¬ ®å khèi tÝnh to¸n chÝnh
ChÕ t¹o hoµn chØnh bé ®iÒu khiÓn
§Ò xuÊt n©ng cao chÊt l−îng thiÕt bÞ
B¶n vÏ nguyªn lý
III.5
III.6
Phô lôc I PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn l−u tèc ®iÒu chØnh
l−u l−îng
Phô lôc II PhÇm mÒm ®iÒu khiÓn ®iÒu tèc ®iÒu
chØnh phu t¶i
102
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
§Æt vÊn ®Ò
Cung cấp năng lượng điện là một trong những chỉ tiêu đánh giá mức độ phát triển
của một vùng, cũng như của một đất nước. Trong chính sách phát triển kinh tế - xã hội
miền núi của Đảng và nhà nước, việc cung cấp điện được coi như là một trong các
biện pháp hàng đầu. Có rất nhiều giải pháp cấp điện, bao gồm phát triển lưới điện
được nối với toàn quốc, phát triển lưới điện cục bộ tại địa phương, xây dựng các trạm
phát điện, đặc biệt là các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ... Nước ta ở trong vùng nhiệt đới
gió mùa, với mạng lưới sông suối dày đặc, có trữ lượng thủy năng rất lớn. Việc sử
dụng nguồn năng lượng này phục vụ cho các nhu cầu tăng lên không ngừng của nền
kinh tế, có tác dụng về nhiều mặt, mang lại hiệu ích kinh tế cao, phù hợp với chính
sách về năng lượng của nhà nước.
Đồng thời với việc sản xuất và phân phối điện năng, phải chú trọng nâng cao về
chất lượng của dòng điện. Chúng ta biết rằng: Chất lượng dòng điện được đánh giá
chủ yếu qua các đại lượng điện áp và tần số. Vì vậy, người ta phải hết sức chú ý tới
việc đảm bảo ổn định điện áp và tần số của mạng lưới cung cấp điện. Mạng lưới điện
bao gồm nhiều tổ máy phát điện các loại vận hành song song để cung cấp điện năng
cho nhu cầu của phụ tải, nên cần có sự phân phối phụ tải hợp lý cho các tổ máy tham
gia hệ thống và chất lượng dòng điện của mạng lưới phụ thuộc chất lượng dòng điện
của từng tổ máy riêng biệt; Đồng thời việc bảo đảm sự hoạt động an toàn của tổ máy
sẽ góp phần làm ổn định lưới điện.
Trong một trạm phát điện nói chung, cũng như trong trạm thuỷ điện nói riêng, toàn
bộ các nhiệm vụ kể trên được thực hiện bởi máy điều tốc. Như vậy, vai trò của máy
điều tốc trong trạm phát điện là hết sức quan trọng, với ba chức năng sau:
- Ổn định tần số dòng điện phát ra với mọi chế độ phụ tải.
- Đảm bảo chế độ hoạt động song song giữa các tổ máy phát điện trong hệ thống.
- Đảm bảo dừng máy khẩn cấp khi xuất hiện các sự cố.
Cho đến nay, hầu hết các thiết bị trong một trạm phát điện đều phải nhập từ nước
ngoài. Ngoài việc phải sử dụng ngoại tệ, việc nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài làm
1
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
cho việc bảo hành, bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị gặp nhiều khó khăn. Việc chủ động
thiết kế và chế tạo các thiết bị trong trạm thủy điện nói chung và máy điều tốc nói
riêng phù hợp với công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa của nền kinh tế nước nhà.
Đề tài đã được hình thành từ các yêu cầu của thực tế sản xuất.
Bản báo cáo này, trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy điều
tốc điều chỉnh lưu lượng, điều chỉnh phụ tải xử dụng vi xử lý. Đây là một trong
những loại thiết bị điều tốc đã được nghiên cứu nhiều năm ở Trung tâm Nghiên cứu
thủy điện nhỏ (Gọi tắt là Trung tâm thủy điện), Viện Khoa học thủy lợi, Bộ Nông
nghiệp và Phát triển nông thôn.
2
ViÖn khoa häc thuû lîi
B¸o c¸o khoa häc
§Ò tµi KC07- 04
PhÇn 1. LÝ THUYÕT C¬ B¶N CñA THIÕT BÞ ®iÒu tèc.
I.1. SỰ ĐIỀU CHỈNH TUA BIN VÀ PHÂN LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC
I.1.1 SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU CHỈNH TUA BIN THUỶ LỰC:
Nguyên lý điều chỉnh của máy điều tốc dựa trên phương trình chuyển động quay
của tổ máy thuỷ điện:
dω
dt
Mt − Mc = J
(1)
Trong đó: Mt - Mô men do tua bin sinh ra.
Mc - Mô men cản phụ thuộc vào phụ tải.
J
- Mô men quán tính của tổ máy (Tua bin + Máy phát).
ω - Vận tốc quay của tổ máy.
Muốn duy trì vận tốc tổ máy không thay đổi (do đó tần số dòng điện không đổi), vế
trái của phương trình bằng không (= 0). Do đó phương trình (1) trở thành:
dω
J
= M t − M c = 0
dt
ω = const
(2)
Từ (2), có thể rút ra kết luận: Có thể điều chỉnh tua bin để đạt trị số vòng quay
không thay đổi bằng cách đảm bảo điều chỉnh sao cho luôn đạt được sự cân bằng giữa
mô men do tua bin sinh ra và mô men cản. Có thể đạt được điều này theo 2 cách như
sau:
- Điều chỉnh mô men trên trục tua bin Mt sao cho luôn cân bằng với mô men cản
của phụ tải Mc. Theo hướng này, ta có các loại điều tốc điều chỉnh lưu lượng vẫn
thường dùng trong các trạm thuỷ điện..
- Ngược lại, điều chỉnh tổng mô men cản của phụ tải Mc sao cho luôn cân bằng với
mô men trên trục tua bin Mt. Theo hướng này, ta có loại điều tốc điều chỉnh phụ giả
(Điều tốc tải giả).
I.1.1.1 Điều chỉnh mô men trên trục tua bin:
Mô men sinh ra trên trục tua bin liên hệ với công suất tua bin như sau:
Ntb = Mt . ω
(3)
ViÖn khoa häc thuû lîi
3
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Và ta đã biết, với cột nước làm việc H và lưu lượng Q, công suất của tua bin là:
γ.Q.H
102
Ntb
=
(4)
Trong đó:
Ntb - Công suất thuỷ lực do dòng nước sinh ra trên trục tua bin (kW)
γ - Trọng lượng riêng của nước , γ = 1000 kG/m3 .
Q - Lưu lượng của tổ máy (m3/s).
H - Cột nước làm việc của tua bin (m).
Từ (3) và (4), kể đến hệ số tổn thất Φ, rút ra:
γ .Q. H.Φ
Mt =
(5)
102 × ω
Trong vùng làm việc nhất định của tua bin, trong một khoảng thời gian nhất định,
cột áp H không thay đổi, hệ số tổn thất Φ không thay đổi, tức là ta có thể coi H=
Const, Φ=Const. Do vậy, khi đó Mt chỉ còn phụ thuộc vào lưu lượng Q. Để điều chỉnh
cho mô men trên trục tua bin Mt cân bằng với mô men cản của phụ tải Mc ta phải
điều chỉnh lưu lượng nước qua tua bin. Đây chính là nguyên tắc điều chỉnh của các
máy điều tốc điều chỉnh lưu lượng truyền thống được sử dụng rộng rãi nhất trong các
trạm thuỷ điện.
I.1.1.2 Điều chỉnh tổng mô men cản trên trục tua bin:
Trong các trạm thuỷ điện áp dụng loại điều tốc kiểu tải giả, lưu lượng Q qua tua bin
sẽ không thay đổi trong những khoảng thời gian nhất định; tức là tua bin sẽ luôn hoạt
động với một công suất Mt nhất định tương ứng với lưu lượng này (theo(5)). Do phụ
tải tiêu thụ luôn thay đổi, tức là mô men Mc thay đổi, nên phải có một nguồn phụ tải
tiêu thụ bù vào sao cho đạt được tổng phụ tải của tua bin không thay đổi, do đó đạt
được sự cân bằng theo (2). Phụ tải này thường là các điện trở thuần. Nhiệm vụ của
máy điều tốc kiểu tải giả là làm sao giữ cho tổng phụ tải của tua bin không thay đổi
bằng cách đóng-ngắt các phụ tải bù nói trên. Việc đóng ngắt này thường do mạch điện
tử và các Thiritstor đảm nhận, cho nên loại máy điều tốc loại này rất gọn nhẹ, dễ sửa
chữa, giá thành thấp.
4
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Tuy nhiên, chất lượng dòng điện trong trường hợp này không cao như trường hợp
điều chỉnh lưu lượng. Trong các trạm thủy điện công suất nhỏ hoạt động độc lập, yêu
cầu về chất lượng dòng điện không cao (Dùng thắp sáng, đun nấu...), thì sử dụng loại
điều tốc này mang lại hiệu quả kinh tế cao.
I.1.2 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC TRONG TRẠM THUỶ ĐIỆN
I.1.2.1 Cấu tạo chung.
Nói chung, các máy điều tốc có hai bộ phận chính như sau:
(1) Bộ phận điều khiển:
Bộ phận điều khiển có thể coi như trung tâm xử lý tín hiệu của điều tốc về vòng
quay của tổ máy, là bộ phận quan trọng và phức tạp nhất của máy điều tốc. Trong bộ
phận này có thể chia ra một số cụm với các chức năng sau:
- Cụm bộ phận cảm ứng: Làm nhiệm vụ nhận các tín hiệu vòng quay của tổ máy, so
sánh sai lệch với giá trị đặt trước của vòng quay tổ máy để tạo ra tín hiệu điều chỉnh
tương ứng tác động lên bộ phận xử lý.
- Cụm bộ phận xử lý: Từ tín hiệu sai lệch tạo ra tín hiệu điều khiển cửa van tua bin
(hoặc phụ tải)
- Bộ phận ổn định: Làm nhiệm vụ ổn định hệ thống điều chỉnh nhằm đảm bảo chất
lượng của hệ thống được điều chỉnh, thông qua các tín hiệu phản hồi về vòng quay, gia
tốc vòng quay...
(2) Bộ phận chấp hành:
Làm nhiệm vụ điều chỉnh theo yêu cầu của máy điều tốc (Lưu lượng qua tua bin
hoặc phụ tải của tổ máy).
I.1.2.2 Các loại điều tốc dùng cho trạm thuỷ điện.
(3) Điều tốc điều chỉnh lưu lượng
Theo cấu tạo, kết cấu của các bộ phận chính của máy điều tốc, có thể chia ra cácloại
điều tốc sau, mà tên gọi hàm ý kiểu cấu tạo của bộ phận điều khiển và bộ phận chấp
hành:
5
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
(a) Điều tốc Cơ-Thuỷ lực
Đây là loại máy điều tốc ra đời từ rất lâu. Bộ phận điều khiển là bộ phận cơ học,
như: con lắc li tâm, con lắc thuỷ lực; bộ phận chấp hành là thuỷ lực (secvomotor thuỷ
lực), các bộ phận khác đều là các cơ cấu cơ khí hoặc thuỷ lực.
Ưu điểm :
- Có khả năng điều khiển các tua bin thuỷ điện có công suất cao.
- Tín hiệu điều chỉnh là liên tục.
- Độ bền cao.
Nhược điểm:
- Hệ thống cứng nhắc khó thay đổi các hệ số điều khiển khi phải điều khiển các hệ
có nhiều sự thay đổi lớn.
- Độ trễ của thiết bị lớn.
- Độ sai lệch tĩnh lớn.
Hiện nay ở các nước phát triển rất ít dùng loại này.
(b) Điều tốc Điện -Thuỷ lực
Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ lực, còn
lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự.
Ưu điểm:
- Gọn nhẹ, dễ dùng hơn bộ điều tốc Cơ - Thuỷ lực
- Khả năng công nghiệp hoá cao.
- Tín hiệu điều khiển liên tục.
- Đảm bảo độ nhạy, độ chính xác điều khiển
Nhược điểm:
- Hệ thống vẫn còn cứng nhắc, khả năng thay đổi các thông số phụ thuộc vào phần
cứng.
- Có sự trôi trượt các tham số do đặc điểm của các linh kiện analog.
6
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
- Độ quá điều chỉnh còn lớn
- Để chế tạo một hệ điều khiển có nhiều tính năng thì rất phức tạp
- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao.
(c) Điều tốc Điện tử số -Thuỷ lực
Cũng như loại trên, loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là thiết bị thuỷ lực, còn
lại bộ phận cảm ứng và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số.
Ưu điểm:
- Gọn nhẹ, dễ dùng thay đổi các thông số điều chỉnh
- Có khả năng tự truy tìm hằng số thời gian của tổ máy để cho ra tín hiệu điều chỉnh
tương thích.
- Độ chính xác cao, sai lệch tĩnh nhỏ.
- Độ quá điều chỉnh nhỏ
Nhược điểm:
- Giá thành chế tạo các phần tử thủy lực còn cao.
(d) Điều tốc Điện tử -Điện
Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận cảm ứng
và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử tương tự. Loại điều tốc này có chung các ưu
nhược điểm như loại máy Điện -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành là điện, phù hợp
hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ
(e) Điều tốc Điện tử số - Điện
Loại điều tốc này có bộ phận chấp hành là động cơ điện, còn lại bộ phận cảm ứng
và các bộ phận khác đều là thiết bị điện tử số. Loại điều tốc này có chung các ưu
nhược điểm như loại máy Điện tử số -Thuỷ lực, ngoại trừ phần chấp hành là điện, phù
hợp hơn khi áp dụng trong các trạm thủy điện nhỏ
(4) Điều tốc điều chỉnh phụ tải
7
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Trong thời gian gần đây, bên cạnh các máy điều tốc kiểu truyền thống, đã xuất hiện
và được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới loại máy điều tốc kiểu tải giả (Dummy
Load, Electronic Load Control). Đối với các trạm thuỷ điện nhỏ, việc sử dụng máy
điều tốc kiểu thứ nhất nói trên sẽ không kinh tế, vì nhiều lẽ mà trước hết là giá thành
chế tạo, kết cấu phức tạp làm cho chi phí bảo dưỡng vận hành cao...Hoặc tại các trạm
thuỷ điện trên hệ thống tưới, nơi mà không thể tuỳ ý thay đổi lưu lượng qua tổ máy;
hoặc tại các vị trí mà điều kiện về dòng chảy không bị hạn chế...thì việc áp dụng máy
điều tốc kiểu tải giả hoàn toàn là phương án kinh tế hơn.
Đây là loại thiết bị thuộc thế hệ mới, nên hầu như các phần tử trong nó đều ứng
dụng các thành tựu của kỹ thuật điện tử và tin học.
m¸y ®iÒu tèc
®iÒu chØnh l−u l−îng
®iÒu chØnh phô t¶i
c¬
§iÖn tö
§iÖn tö
§iÖn
Analog
DIGITAL
thñy lùc thñy lùc
Analog
DIGITAL
Analog
DIGITAL
Hình 1 - Phân loại máy điều tốc
8
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
I.2 NHU CẦU TRÊN THỊ TRƯỜNG VỀ MÁY ĐIỀU TỐC
Như đã đề cập ở nhiều tài liệu, thủy điện nhỏ đóng vai trò rất quan trọng trong chiến
lược về năng lượng của đất nước, phục vụ cho công cuộc phát triển dân sinh kinh tế,
nhất là tại các vùng miền núi xa xôi. Có thể thấy hai vấn đề trong lĩnh vực này:
Thứ nhất, đối với các trạm thủy điện nhỏ xây dựng mới, giá thành của máy điều tốc
chiếm tỷ trọng tương đối lớn trong tổng giá trị các thiết bị (Ví dụ: Giá nhập khẩu máy
TT150 (Trung Quốc) là 80 triệu đồng Việt Nam - 1998). Mặt khác, do cơ cấu tiêu
chuẩn hóa thiết bị tua bin, một loại máy điều tốc được sử dụng trong một dải lớn về
công suất của tua bin, nên đối với tổ máy công suất nhỏ, tỷ trọng giá thành của máy
điều tốc càng lớn.
Thứ hai, đối với các trạm đã xây dựng từ trước ở nước ta , các máy điều tốc trong
các trạm thuỷ điện này chủ yếu là loại máy Cơ khí - Thuỷ lực; Sau một thời gian vận
hành nhất định, hầu như đã bị hư hỏng mà không có phụ tùng thay thế. Các chi tiết
thuỷ lực tuy không lớn, nhưng đòi hỏi phải gia công rất chính xác và chất lượng vật
liệu tốt. Đa số các trạm thuỷ điện nhỏ này, do không có máy điều tốc hoặc do máy
điều tốc đã bị hư hỏng phải vận hành bằng tay, nên chất lượng dòng điện không đảm
bảo tiêu chuẩn hoà lưới quốc gia, mặt khác rất dễ hư hỏng tổ máy khi gặp sự cố.
Theo điều tra đánh giá của chúng tôi thì nhu cầu chế tạo mới, sửa chữa thay thế thiết
bị điều tốc cho các trạm thuỷ điện nhỏ đã xây dựng là rất lớn. Việc chủ động chế tạo
được máy điều tốc trong nước sẽ mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội.
I.3 XU HƯỚNG CHẾ TẠO CÁC LOẠI MÁY ĐIỀU TỐC TRÊN THẾ GIỚI.
Ngày nay trên thế giới, khoa học - kỹ thuật phát triển với tốc độ vô cùng nhanh
chóng. Khoảng cách giữa nghiên cứu và ứng dụng được rút ngắn rất nhiều so với các
thập niên trước. Các thành tựu mới của khoa học công nghệ luôn được ứng dụng vào
thực tế, và qua thực tế quay lại hoàn thiện hơn. Việc chế tạo thiết bị điều tốc (mà thực
tế hiện nay, là thiết bị điều khiển nhiều tác dụng) đã ứng dụng rất nhiều thành tựu của
khoa học về điều khiển tự động, của công nghệ điện tử tin học. Nhìn chung, có thể đưa
ra một số nhận xét sau:
1. Hầu như, việc ứng dụng vi xử lý, vi điều khiển đã trở thành phổ biến. Ưu
điểm của chúng đã có nhiều tác giả đề cập, ở đây ta có thể nhận thấy một số nét chính:
9
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
- Kích thước nhỏ;
- Thời gian xử lý nhanh, với tốc độ xử lý cỡ ns hoàn toàn đảm bảo tính thời gian
thực (real-time) trong đo lường và điều khiển;
- Độ chính xác cao, với các thế hệ 16, 32 và 64 bit, độ chính xác đã đạt mức độ vô
cùng lớn so với yêu cầu điều khiển (với 10 bit, ta đã có độ chính xác 0,1 %, 16 bit ~
0,15.10-5%);
- Số lượng các đầu vào ra lớn cùng các tính năng điều khiển được tích hợp trên linh
kiện (on-chip), làm tăng khả năng xử lý nhiều tác dụng cùng lúc, bộ điều khiển trở
thành đa tác dụng, không chỉ đơn thuần điều khiển 1 thông số nào đó;
- Khả năng truyền tin mang đến khả năng đo lường điều khiển từ xa, dễ dàng thiết
lập mạng thông tin SCADA;
- Mềm dẻo trong thuật toán: Do các thuật toán điều khiển là phần mềm, việc thay
thế, sửa chữa các thuật điều khiển, các thông số hoàn toàn là phần mềm, không phải
sửa chữa hoặc thay thế phần cứng (Do đó mạch điện phần cứng cũng đơn giản hơn
nhiều);
- Giá thành tương đối rẻ và dễ chế tạo trong nước: Do giá thành chế tạo các linh
kiện điện tử giảm xuống nhanh chóng, do mức độ sử dụng rộng rãi, nên việc mua các
linh kiện không quá khó khăn. Mặt khác, trình độ về điện tử - tin học trong nước đã
phát triển cao, nên có thể hoàn toàn làm chủ được việc viết phần mềm điều khiển. Việc
đầu tư sản xuất không lớn như các thiết bị cơ khí - thuỷ lực.
2. Đối với các trạm thủy điện công suất lớn, việc đóng mở tua bin và các thiết
bị cần phải có công suất lớn, nên cơ cấu chấp hành vẫn là thủy lực.
3. Đối với trạm thủy điện nhỏ, sử dụng cơ cấu chấp hành là động cơ điện đã trở
nên phổ biến do kích thước gọn, cơ cấu đơn giản, giá thành chế tạo rẻ hơn nhiều so với
cơ cấu thủy lực.
4. Với các trạm thủy điện mini, sử dụng điều tốc tải giả làm đơn giản hẳn quá
trình điều khiển, độ bền thiết bị được tăng lên, do thiết bị làm việc ổn định ở một chế
độ nhất định; giá thành thiết bị rẻ hơn nhiều so với điều chỉnh lưu lượng.
10
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
I.4 CHẾ TẠO MÁY ĐIỀU TỐC Ở VIỆT NAM
Từ những năm 1980 trở lại đây, đã có một số cơ sở sản xuất và nghiên cứu ở Việt
nam tiến hành thiết kế chế tạo thiết bị thuỷ điện nhỏ, trong đó có máy điều tốc.
Tại Công ty Cơ khí Hà Nội, từ năm 1982, đã tiến hành sản xuất một số loại máy
điều tốc. Các loại máy điều tốc này được thiết kế theo mẫu điều tốc của nước ngoài.
Đó là máy TT75 (mẫu Trung Quốc), TT1500 (mẫu Liên Xô). Trên cơ sở máy TT75,
đã thiết kế cải tiến một số loại khác như TT100, TT150, TT200. Toàn bộ các máy điều
tốc kể trên thuộc loại điều tốc Cơ - Thuỷ lực. Nói chung các loại máy điều tốc Cơ -
Thuỷ lực trên làm việc ổn định nhiều năm nay, nhưng do đặc tính của loại điều tốc này
nên chất lượng diều chỉnh không cao; hơn nữa kết cấu của máy rất phức tạp, cồng
kềnh do các truyền động cơ khí, một số chi tiết đòi hỏi phải đầu tư lớn vào dây chuyền
công nghệ như lò xo lá con lắc ly tâm, các van phân phối thủy lực, bộ phận hoãn
xung..., nên giá thành máy cao. Trên cơ sở máy TT1500, nhà máy đã cải tiến thành
kiểu điều tốc Điện tử - Thuỷ lực, nhưng không thành công. Do nhiều nguyên nhân
khác nhau, Công ty đã không tiếp tục nghiên cứu sâu về thiết bị thủy điện cũng như
máy điều tốc.
Viện Nghiên cứu máy, Nhà máy sửa chữa thiết bị điện - Bộ Công nghiệp và Trường
Đại học bách khoa Đà Nẵng đã sản xuất thử một số máy điều tốc Cơ - Thuỷ lực nhưng
chất lượng rất thấp, dựa trên các thiết kế quá cũ và kích thước cồng kềnh, chỉ được
ứng dụng tài một vài trạm thủy điện nhỏ.
Từ năm 1981 trở lại đây, Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã nghiên cứu và từng
bước thử nghiệm sản xuất các loại máy điều tốc Điện tử - Thuỷ lực. Một số công trình
thuỷ điện lắp đặt máy điều tốc loại này cho thấy nếu có sự đầu tư thích đáng thì nước
ta có thể chế tạo được điều tốc với chất lượng ngang hàng với máy của nước ngoài.
Trong nhiều năm, Trung tâm thuỷ điện, Viện Nghiên cứu khoa học và kinh tế thuỷ
lợi đã có nhiều nghiên cứu thành công trong lĩnh vực thuỷ điện nhỏ. Bên cạnh việc
nghiên cứu, sản xuất và lắp đặt các tua bin thuỷ lực ở nhiều địa phương trong cả nước,
Trung tâm đã đầu tư rất nhiều vào việc nghiên cứu về máy điều tốc. Trung tâm đã có
sự kết hợp với nhiều đơn vị trong và ngoài nước để tiến hành nghiên cứu và sản xuất
máy điều tốc. Kết hợp với Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Trung tâm đã có những
11
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
nghiên cứu toàn diện về điều tốc Điện tử - Thuỷ lực, và đã thử nghiệm thành công tại
một số trạm thuỷ điên ở các tỉnh phía Bắc và Tây Nguyên. Gần đây nhất, kết hợp với
Trường Đại học Bách khoa Hà nội, Hãng TANAKA (Nhật Bản), Trung tâm đã nghiên
cứu và chế tạo thử nghiệm để sớm sản xuất loại các loại điều tốc Điện tử - Điện kiểu
Tải giả và kiểu dùng secvomotor điện.
12
ViÖn khoa häc thuû lîi
B¸o c¸o khoa häc
§Ò tµi KC07- 04
PhÇn II. Nghiªn cøu, chÕ t¹o ®iÌu tèc ®iÌu chØnh
l−u l−îng vµ ®iÌu tèc ®iÌu chØnh phô t¶i.
II.1. NGHIªN CỨU XỬ DỤNG CÁC BỘ VI XỬ LÝ (P, (C) THÔNG DỤNG VÀO
VIỆC CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU TỐC
II.1.1 LỰA CHỌN SỬ DỤNG VI XỬ LÝ
Việc lựa chọn thiết kế chế tạo các thiết bị dựa trên các bộ vi xử lý xuất phát từ các
lý do sau:
- Điều kiện về chế tạo các thiết bị cơ điện trong nước còn ở mức hết sức khiêm tốn,
nếu muốn chế tạo các thiết bị cơ điện thay thế đòi hỏi phải đầu tư lớn ở dây chuyền
sản xuất.
- Xu thế phát triển các thiết bị điện trên thế giới là ứng dụng các thành tựu mới
trong lĩnh vực điện tử - viễn thông - tin học.
- Mức độ phát triển và điều kiện của công nghiệp điện tử tin học trong nước cho
phép thiết kế, chế tạo các thiết bị điện có tính năng tương đương với linh kiện nhập từ
nước ngoài.
- Các thiết bị kiểu mới có kích thước gọn hơn sẽ làm giảm khối lượng xây lắp; phần
mềm điều khiển cho phép mềm dẻo trong vận hành, có thể nâng cấp, thay thế mà
không cần đầu tư lại phần cứng thiết bị.
- Giá thành chế tạo rẻ so với chế tạo thiết bị cơ điện và so với nhập ngoại.
II.1.2 ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ 8051
Thuật ngữ Vi xử lý (Micro-Processor - µP) và Vi điều khiển (Micro-Controller -
µC) không có sự khác biệt rõ rệt. Trong trường hợp bộ vi xử lý không dùng vào mục
đích tính toán mà chủ yếu là để điều khiển một quá trình nào đó, người ta thường gọi
chúng là µC. Theo cách hiểu này, µC là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử lý
nói chung. Trong bản báo cáo này, hai thuật ngữ được coi như tương đương.
Lịch sử phát triển các bộ vi xử lý gắn liền với lịch sử phát triển của linh kiện bán
dẫn, khởi đầu là sự phát minh ra tranzito ở các phòng thí nghiệm của công ty Bell.
Trong khoảng thời gian tiếp theo, là sự phát triển nhanh chóng của các bộ vi xử lý. Sau
đây là một số mốc quan trọng:
ViÖn khoa häc thuû lîi
13
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Năm 1958, Jack Kilby đã phát minh ra vi mạch tổ hợp đầu tiên, tại công ty Texas
Instrumens (Mỹ) và đặt những viên gạch đầu tiên cho sự phát triển của các vi mạch
logic họ 74xx.
Năm 1960, ra đời máy tính đầu tiên được lắp ráp hoàn toàn bằng tranzito tại công ty
IBM.
Năm 1971, công ty Texas Instrumens sản xuất ra bộ vi xử lý 4 bit TMS 1000.
Năm 1976, công ty Intelligent Electronics (INTEL - Mỹ) đã cho ra đời bộ vi điều
khiển đơn chip 8 bit đầu tiên với tên gọi 8048. Các công ty khác cũng lần lượt cho ra
đời các bộ điều khiển 8 bit tương tự với 8048 và hình thành họ vi điều khiển MSC-48
(Microcontroller System 48).
Năm 1980, INTEL sản xuất ra thế hệ thứ hai các bộ vi điều khiển đơn chip 8 bit với
tên gọi 8051, và trở thành công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất các bộ vi xử lý.
Chỉ một thời gian ngắn, hàng loạt các thế hệ 8051 ra đời hình thành họ MCS-51.
Đến nay, họ MSC-51 đã có trên 250 thành viên và được hầu hết các công ty bán dẫn
hàng đầu thế giới chế tạo, sau INTEL phải kể đến AMD, Siemens, Philips, Dallas,
OKI, v.v...
Ngoài ra, phải kể đến các công ty có các họ vi điều khiển riêng, như:
- Họ ST62 của công ty SGS - THOMSON
- Họ H8 của công ty HITACHI
- Họ PIC của công ty Microchip
- Họ 68HCxx của MOTOROLA.
Trong số đó, họ 68HCxx của MOTOROLA cạnh tranh rất mạnh mẽ với họ 8051
trên thị trường thế giới.
Đứng về mặt số lượng thì họ 8051 vẫn dẫn đầu trên thị trường các bộ vi điều khiển
trên thế giới. Một số số liệu sau cho thấy mức độ ứng dụng của chúng. Theo số liệu
1995, các bộ vi xử lý 8 bit chiếm 67% thị phần các bộ vi xử lý (4, 8, 16 và 32 bit).
Tổng doanh thu các bộ vi xử lý 8 bit là 5 tỷ USD với số lượng bán ra là 1,5 tỷ bộ
(1995). Tăng trưởng hàng năm về số lượng cho đến năm 2000 là 30%. Chỉ riêng hãng
PHILIPS, mỗi ngày xuất xưởng 1 triệu bộ (năm 1998).
14
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Rõ ràng là tương lai của thị trường vi xử lý đang mở rộng không ngừng. Ngày nay,
chúng có mặt trong rất nhiều thiết bị, trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc ứng dụng
các bộ vi xử lý nói chung, họ MSC-51 nói riêng trong lĩnh vực các thiết bị đo lường
điều khiển bảo vệ là phù hợp với xu hướng hiện nay trên thế giới.
II.1.3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ TẠI TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU THỦY
ĐIỆN NHỎ - VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI
Tuy là một đơn vị trong ngành Thủy lợi, thuộc Bộ Nông nghiệp và phát triển nông
thôn, nhưng trong hơn 10 năm qua, Trung tâm Nghiên thủy điện đã có nhiều nghiên
cứu ứng dụng vi xử lý trong các thiết bị đo lường - điều khiển trong trạm thủy điện.
Trung tâm có đội ngũ cán bộ có chuyên môn về lĩnh vực đo lường - điều khiển - tự
động hóa, gồm 01 tiến sĩ, 05 kỹ sư. Ngoài ra, Trung tâm đã được Nhà nước trang bị và
tự trang bị nhiều thiết bị, trang bị chuyên dụng trong lĩnh vực này. Bên cạnh đó, kết
hợp với nhiều đơn vị trong và ngoài nước như Đại học Bách khoa Hà Nội, Công ty
Xuất nhập khẩu công nghệ mới (Bộ Khoa học - Công nghệ - Môi trường), Trung tâm
Thủy điện nhỏ Hàng Châu (Trung Quốc), Hãng TANAKA (Nhật Bản)...Trung tâm đã
đạt được những thành công nhất định trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị đo
lường điều khiển trên cơ sở ứng dụng vi xử lý.
Dưới đây là một số thiết bị điều khiển sử dụng vi xử lý họ 8051, được nghiên cứu
thiết kế, chế tạo tại Trung tâm Nghiên cứu thủy điện nhỏ - Viện Khoa học thủy lợi
trong thời gian qua (1995-2001).
Hình 2 - Thiết bị hòa điện bán tự động
15
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Hình 3 - Thiết bị hòa điện bán tự động
Hình 4 - Thiết bị đổi nguồn tự động
Hình 5 - Thiết bị điều tốc tải giả
16
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Hình 6 - Thiết bị đo lường tự động từ xa
II.1.4 THÔNG TIN TỪ NƯỚC NGOÀI
Theo các thông tin, tài liệu từ nước ngoài của các công ty, tổ chức về thủy điện nhỏ
như: Hãng TANAKA (Nhật bản), Trung tâm khu vực Châu á - Thái bình dương về
thủy điện nhỏ (Hàng Châu-Trung Quốc), SHP network... Chúng tôi đã có các tài liệu
về loại điều tốc điện tử điều chỉnh lưu lượng sử dụng vi xử lý. Trong quá trình thực
hiện đề tài, chúng tôi đã nhập một bộ thiết bị như vậy từ Trung Quốc để khảo sát. Sau
khi xem xét thiết bị trong phòng thí nghiệm và tại hiện trường, chúng tôi đã có một số
nhận xét sau:
- Thiết bị có kích thước gọn nhẹ, hoàn toàn phù hợp với các trạm thủy điện nhỏ và
cực nhỏ về lắp đặt, sử dụng, bảo dưỡng thay thế;
- Thiết bị có nhiều chức năng (multi-function), không chỉ là máy điều tốc;
- Về cấu tạo, thiết bị của Trung Quốc sử dụng họ vi xử lý không còn thông dụng
trong thời điểm hiện nay (Họ MSC-48);
- Về chất lượng linh kiện, các đơn vị trong nước hoàn toàn có thể làm đạt ngang
bằng và tốt hơn, với giá thành rẻ hơn (tất nhiên, vẫn phải nhập linh kiện lẻ từ nước
ngoài).
17
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Hình 7 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Trung Quốc)
Hình 8 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Trung Quốc)
Hình 9 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Mỹ)
18
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Hình 10 - Thiết bị điều khiển tự động trạm thủy điện (Đức)
II.2. NGHIªN CỨU MỞ RỘNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU TỐC LƯU LƯỢNG
THÀNH BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA TÁC DỤNG
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử - tin học, các bộ vi xử lý
được tích hợp nhiều tính năng điều khiển trên cùng một vi mạch (On-chip) như:
Timer, bộ thuật toán số học, các khối nhân/chia...v.v.., tốc độ xung nhịp của chúng
được tăng lên đáng kể, các linh kiện ngoại vi cũng được phát triển rộng rãi, nên một bộ
vi xử lý cho phép thực hiện “đồng thời” nhiều nhiệm vụ khác nhau do số lượng các
đường vào ra lớn, tốc độ xử lý nhanh, kết hợp với sự phát triển về thuật toán điều
khiển. Việc sử dụng một bộ điều khiển để thực hiện đa chức năng có thể thấy ở mọi
lĩnh vực, mọi ứng dụng trong kỹ thuật và đời sống.
Trong thực tế vận hành trạm thủy điện, ta thường gặp các vấn đề sau:
• Điều tần:
- Đảm bảo ổn định tần số của dòng điện phát ra
- Tham gia phân phối tải trong hệ thống
• Hòa điện, đưa tổ máy từ chế độ độc lập chuyển sang chạy trong hệ thống.
• Điều khiển theo mức nước, để tổ máy luôn hoạt động trong vùng hiệu suất cao
nhất, như vậy sử dụng nguồn năng lượng có hiệu quả nhất.
• Bảo vệ tổ máy trong các trường hợp sự cố.
Tham khảo cấu tạo của các thiết bị của nước ngoài, chúng tôi xác định các chức
năng chính của thiết bị như sau:
19
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
• Là thiết bị điều tốc, với khả năng chạy độc lập cũng như trong lưới điện với 3
mức chính xác ứng với 3 qui mô lưới điện khác nhau (Lưới cấp quốc gia, lưới
cấp vùng, lưới địa phương); Phần tử điều khiển là mạch vi xử lý, phần tử chấp
hành là động cơ điện;
• Là thiết bị hòa điện tự động;
• Là thiết bị bảo vệ, có khả năng bảo vệ quá tốc độ, đóng máy khi có sự cố, điều
khiển tổ máy theo mực nước;
• Có các đầu vào bao gồm các giá trị thiết lập chức năng hoạt động (function):
Điều tần, Hòa, Điều khiển theo mức nước; Các giá trị thiết lập chế độ hoạt động
(Mode): Lưới cấp 1,2,3; Các giá trị thiết lập liên quan tới quá trình đóng mở;
Các đầu vào cấp năng lượng cho thiết bị; Các đầu vào đo giá trị tần số; Các đầu
vào đo mức nước; Đầu vào của tín hiệu dừng máy khẩn cấp.
• Có các đầu ra kiểu rơ le điều khiển tăng, giảm tốc độ, hòa, điều khiển đóng cắt;
•
Hiển thị giá trị tần số dòng điện, các tín hiệu theo dõi trạng thái làm việc, tín
hiệu cảnh báo.
II.3. XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TUA BIN
II.3.1 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN
II.3.1.1Điều khiển theo tần số
Hình 11 - Sơ đồ khối điều khiển
20
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Sơ đồ khối điều khiển như hình 11. Đây là sơ đồ hệ kín, điều khiển theo sai lệch,
một sơ đồ điều khiển thông thường được áp dụng trong các loại máy điều tốc. Do đây
là hệ điều khiển secvo, nên thuật điều khiển được chọn là PD. Theo kinh nghiệm và
thực tế vận hành trạm thủy điện nhỏ và cực nhỏ, chúng tôi lựa chọn chế độ vận hành
khi tổ máy tham gia trong hệ thống điện là chịu phụ tải cơ bản (phụ tải nền - base
load). Chính vì vậy, ở loại điều tốc này, tổ máy không tham gia phân chia tải khi hệ
thống có dao động tần số, điều này làm cho các tổ máy có công suất nhỏ và cực nhỏ
vận hành ổn định, có thể hoạt động theo mực nước (water level control) và đơn giản về
thiết bị (không có phản hồi công suất tổ máy).
Với chế độ vận hành lựa chọn, khi tham gia trong hệ thống điện, một dải tần số
được lựa chọn bằng phần mềm là “dải chết” (Dead bank), giá trị phụ thuộc vào kiểu
lưới:
- Loại 1, là lưới có yêu cầu chất lượng cao (lưới Quốc gia): 49 - 51 Hz
- Loại 2, là lưới có yêu cầu chất lượng thấp hơn (Lưới địa phương): 48 - 52 Hz
- Loại 3, là loại lưới điện cục bộ, nhỏ, yêu cầu chất lượng điện thấp: 0 - 55 Hz
Khi tần số lưới ra ngoài phạm vi này, thiết bị sẽ điều khiển tổ máy tự động cắt khỏi
lưới điện.
TÇn sè
f1=50 Hz
f2
C«ng suÊt
0
P1
P2
Pmax
Hình 12 - Đặc tính điều chỉnh tua bin khi tham gia chịu tải thay đổi
21
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
TÇn sè
fmax
fo=50 Hz
fmin
C«ng suÊt
Pmax
0
Hình 13 - Đặc tính điều chỉnh tua bin chịu tải cơ bản
II.3.1.2 Hòa điện
Thiết bị sẽ tự động điều khiển tổ máy theo giá trị tần số lưới điện sao cho khi chênh
lệch tần số giữa hai nguồn điện nhỏ hơn 0,25 Hz, chênh lệch pha nhỏ hơn 200, sẽ phát
lệnh điều khiển đóng rơ le hòa điện.
II.3.1.3 Điều khiển theo mực nước
Tham gia trong hệ thống điện, rõ ràng tổ máy đạt hiệu ích cao nhất khi hoạt động
trong vùng hiệu suất cao, sử dụng tốt nhất thế năng của dòng nước. Điều khiển theo
mực nước, thực chất là điều khiển hạn chế độ mở tua bin theo mức nước thượng lưu,
sao cho lượng nước qua tua bin không lớn hơn mức tính toán nhằm giữ cột nước làm
việc của tua bin nằm trong vùng vận hành có hiệu suất cao.
II.3.1.4 Các chức năng bảo vệ
Bảo vệ quá tốc độ
- Tác động vào máy cắt chính
- Đóng van tua bin
Bảo vệ khi có sự cố lưới
- Tác động vào máy cắt chính
- Đưa tua bin về hoạt động không tải
Bảo vệ khi có lệnh từ bên ngoài
- Tác động vào máy cắt chính
- Đóng van tua bin
22
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
II.3.2 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG
Cụ thể hóa sơ đồ điều khiển, ứng dụng vi xử lý, ta có sơ đồ khối như hình 14.
Hình 14 - Sơ đồ khối chức năng
II.4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
II.4.1 CPU
Sử dụng CPU loại 89C052, một loại trong họ MSC-51, có dung lượng bộ nhớ gấp
đôi linh kiện 8051 chuẩn. (RAM: 256 Bytes, ROM: 8 KB)
Với dung lượng bộ nhớ ROM là 8 KB, cho phép chứa chương trình điều khiển lớn
(khoảng 4000 lệnh), có khả năng tăng thêm các chức năng trong tương lai (Hiện tại,
chương trình điều khiển chỉ chiếm gần 4 KB bộ nhớ ROM). Với tổ chức bộ nhớ trong,
toàn bộ các port bên ngoài được sử dụng hoàn toàn cho các chức năng đo lường điều
khiển. Hơn nữa, sử dụng hoàn toàn bộ nhớ trong cho phép tăng tốc độ truy cập tính
toán cũng như bảo vệ được bí mật (bản quyền) của phần mềm điều khiển.
CPU - 89C52 hoạt động với tần số 12 MHz, như vậy xung nhịp vi xử lý là 1 MHz,
mỗi chỉ thị lệnh sẽ thực hiện trong 1 - 2 µs, quá đủ để tiến hành các thao tác xử lý, tính
toán và thực hiện “đồng thời” các chức năng khác nhau.
Cổng P0 và các chân P2.0 đến P2.3 được dành cho khối hiển thị bao gồm 4 đèn
LED 7 thanh.
Cổng P1 sử dụng để đọc các công tắc số mã BCD (4 bits) cùng với các chân P3.6 và
P3.7 điều khiển phân kênh đọc vào (MUX-DEMUX).
Các giá trị tần số được nhập vào tại chân P3.2 (lưới điện) và tại chân P3.3 (máy
phát).
23
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Các chân P3.0, P3.1, P3.4, P3.5, P2.4 đến P2.7 sử dụng để điều khiển 4 rơ le tăng
tải, giảm tải, hòa điện và cắt điện.
Toàn bộ các cổng vào ra đều được “treo” (pull-up) điện áp 5 V thông qua các điện
trở 4,7 kΩ.
Hình 15 - CPU và các giao tiếp chính
II.4.2 KHỐI HIỂN THỊ
Mạch hiển thị bao gồm 4 đèn LED 7 thanh và 6 đèn LED tròn thông thường (chia
làm hai hàng).
Cac đèn LED 7 thanh hiển thị các giá trị sau:
- Tần số dòng điện của tổ máy phát điện (Khi chạy độc lập, hoặc trong lưới).
- Chênh lệch tần số, khi đang tiến hành hòa điện.
- Các thông báo về tình trạng (Hòa điện, Lỗi khi mất nguồn, trạng thái mực nước
thượng lưu).
Sử dụng kỹ thuật “quét LED” để điều khiển hiển thị các đèn LED 7 thanh, tại một
thời điểm chỉ có một đèn LED sáng. Sử dụng kỹ thuật này, sẽ tiết kiệm được tối đa số
chân của các cổng vào ra và phần nào năng lượng cho các đèn LED. Mạch điều khiển
LED như hình vẽ. Chọn thời gian hiển thị nhanh (cỡ 5 ms), như vậy để hiển thị 4 đèn
hết 20 ms, thỏa mãn qui luật “25 hình/s”, ta sẽ không nhận thấy sự nhấp nháy của các
đèn LED.
24
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Các đèn LED tròn thể hiện tình trạng nguồn điện, các trạng thái của các rơ le. Các
đèn này được liên hệ trực tiếp với nguồn thông tin thể hiện, nên không phải lập trình
hiển thị.
Hình 16 - Điều khiển hiển thị LED 7 thanh
II.4.3 KHỐI ĐO LƯỜNG TẦN SỐ
Việc đo tần số và độ lệch pha được tiến hành bằng phần mềm, vì vậy mạch phần
cứng chỉ là mạch biến đổi tín hiệu hình sin thành tín hiệu xung vuông cùng tần số, và
được nối với chân P3.2 và P3.3. Sử dụng chức năng thứ 2 của chân này (Ngắt ngoài
INT0 và INT1), nhờ sự biến đổi sườn xuống của tín hiệu xung tại chân tương ứng, sẽ
kích hoạt ngắt IE0 hoặc IE1để thực hiện sự tính toán tần số cũng như góc lệch pha
giữa 2 nguồn tín hiệu.
Mạch điện thực hiện chức năng biến đổi dạng tín hiệu như hình 17, mạch điện này
đảm bảo xác định chính xác điểm “0” của tín hiệu hình sin, quan trọng khi tính toán
thời điểm hoà điện.
25
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
Hình 17 - Mạch biến đổi tín hiệu tần số
II.4.4 KHỐI BÁO HIỆU MỰC NƯỚC
Để xác định mức nước (được phân ra 3 khoảng giá trị: Cao, trung bình và thấp), sử
dụng 3 điện cực ( 1 để cấp nguồn, 2 để xác định mức giới hạn mức cao và thấp) sẽ xác
định được trạng thái mực nước thượng lưu (bể áp lực). Ba trạng thái này được mã hóa
bằng 2 bit tín hiệu. Các tín hiệu được cách ly quang học với khối vi xử lý để bảo vệ
trong các trường hợp sự cố. Mạch điện cách ly như hình 18.
Hình 18 - Mạch cách ly quang
II.4.5 TÍN HIỆU ĐÓNG MÁY SỰ CỐ TỪ BÊN NGOÀI
Thiết bị có 01 đường nhận tín hiệu đóng máy sự cố từ các thiết bị đo lường khác
bên ngoài gửi tới. Tín hiệu có điện áp trong khoảng từ 5 V - 12 V, và cũng được cách
ly quang như các đường đo mực nước.
26
ViÖn khoa häc thuû lîi
NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá
®Ò tµi Kc07-04
II.4.6 CÁC CÔNG TẮC THIẾT LẬP GIÁ TRỊ VẬN HÀNH
Công tắc xác định chế độ hoạt động gồm có 6 vị trí: 3 chế độ tương ứng với 3 loại
lưới điện X 2 chế độ (chạy độc lập và chạy trong lưới điện). Công tắc này được mã
hóa 6 vị trí bằng 4 bit tín hiệu.
Công tắc xác định chức năng hoạt động gồm có 3 vị trí: Chạy bình thường, Hòa
điện và Chạy trong chế độ lên quan đến khống chế mực nước. Ba chức năng này được
mã hóa bằng 2 bit tín hiệu.
Có 3 công tắc xác định tốc độ tăng tải, tốc độ giảm tải, trị số Interval khi chạy trong
chế độ khống chế mực nước. Các công tắc này là các công tắc số, có thể thiết lập các
giá trị từ 0 đến 9. Các công tắc này được mã hóa bằng 4 bit tín hiệu.
Toàn bộ các giá trị của các công tắc trên được phân ra 3 kênh 8 bit, được điều khiển
dồn kênh (MUX-DEMUX), để đọc vào CPU qua cổng P1.
Hình 19 - Mạch đọc các giá trị công tắc
II.4.7 KHỐI ĐIỀU KHIỂN
Các tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra) được thiết kế kiểu rơ le, giúp cho người sử dụng
lựa chọn giá trị điện áp ra điều khiển phù hợp với thiết bị của từng trường hợp. Mỗi
một đường ra rơ le sẽ do 2 chân (2 bit) có giá trị nghịch đảo quyết định. Thiết kế này
nhằm đảm bảo tin cậy khi điều khiển, chống nhiễu cao.
27
ViÖn khoa häc thuû lîi
Tải về để xem bản đầy đủ
120 trang
17/05/2024
1650
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo điều tốc cho các trạm thủy điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_dieu_toc_cho_cac_tram_th.pdf
