Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------------------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬTNGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁĐỀTÀI: ĐIỀU KHIỂN TURBINE THUỶ ĐIỆNHọc viên:TRẦN VINH PHÚNgười hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. NGUYỄN VĂN LIỄN THÁI NGUYÊN 2009
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
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 hoànthành 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.
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 quaythấp 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 R oto
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 R oto vào khoảng 6.5 mét.
Dây quấn kích từ đặt trong rãnh R oto 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 bở i 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 trongthân 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
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 R oto máy phát, Roto Tur bine 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
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 10kmvới 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
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 cungcấp 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 Turbi ne.
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
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 đườ ng 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
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 dướinước 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.
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: K hi 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 T urbine
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
Turbine là dụng cụ biến năng lượng dòng chảy của nước thành năng lượng
quay cơ học. Do đó Tur bine 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 củanhà 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
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 từngoài 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 -
thì Stato và bộ phận hướng nước là một kết cấu cố định vào bánh xe công t ác. 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 tổmáy, 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
Vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút các cánh tiếp xúc nhau (a 0 = 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 cánhquay 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
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 đế n 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 bốtrí 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
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 hướng0
.
+ Góc ra đặt cánh bánh công tác 2 .
+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi b0 có thể thực hiện được bằng vanchóp. 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 Tur bine (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 hướng0
. Turbine hướng trục và Turbine cánh
quay có thể được điều chỉnh kép cùng một lúc thay đổi cả hai đại lượng0
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.
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 thịđặc 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.
Từ đồ thị ta nhận thấy P = 0 th ì 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) làmột 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)
BK Đ: 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 k hác 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 tr ăm 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 tr ăm 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 quảvôlăng 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 tr ượt đó. Con lắc liên hệ với van trượt qua tay đòn. Chất lỏng có á p (Dầu
có áp) được dẫn vào van tr ượt, 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 á p 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
tr ượt 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 á p, lấy từ thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
76
Như vậy, về bản chất thì bộ điều chỉnh LQR và LQG đều có chung khâu điều
chỉnh R LQR. 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.K A-.(sIK (s)H -1-1
LQR LQR LQG (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 chỉnhLQG, 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 N x , N y
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 -1
LQR LQR (4.12)
.BA)-(sI.LC.L.C)B.K A-.(sIK (s)H -1-1
LQR LQR LQR
(4.13)
Với việc hiệu chỉnh hệ số P để N y = p. N o ( N o là ma trận phổ nhiễu đo) đạt giá trị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
84
a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng vị trí van G và công suất cơmec P
Hình 4.8: Đáp ứng điều chỉnh LQR của mô hình SS_LN_1 theo tải
a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng vị trí van G và công suất cơ mec P
Hình 4.9: Đáp ứng điều chỉnh LQR của mô hình SS_LN_0 theo tải
Nhận xét:
Trong cả hai mô hình SS_LN_0 và SS_LN_1, đáp ứng tốc độ có sự sụt tốc chỉkhoảng 0,02pu (2%) khi tải tăng đột biến với mức tăng lên đến 0,1pu (10% định mức,
20% so với mức tải xác lập). Hệ ổn định bền vững, có sai lệch tĩnh bằng và thời gian
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
90
* Nhận xét:
Với sự tác động của nhiễu hệ thống và nhiễu đo, trong cả hai mô hình SS_LN_0
và SS_LN_1, đáp ứng tốc độ của các bộ điều chỉnh LQG nói chung vẫn bị sụt tốc chỉkhoảng 0,02pu (2%) khi tải tăng đột biến với mức tăng lên đến 0,1pu. Hệ ổn định bền
vững và thời gian xác lập khoảng 40s (LQG(1), LQG(2)), thời gian quá điều chỉnh 1%
chỉ tồn tại trong khoảng 10s. LQG(2) cho đáp ứng mịn hơn nhưng vẫn không cải thiện
được thời gian xác lập.
Đáp ứng dạng răng cưa vẫn tồn tại với biên độ khoảng ±0,0005pu (0,05%) ở các
bộ LQG(1), LQG/LTR, nhưng bộ điều chỉnh LQG/LTR có chất lượng động học rất tốt,
với thời gian đáp ứng và quá điều chỉnh đã đạt được chất lượng của bộ điều chỉnh
LQR.
Từ kết quả mô phỏng, có thể nói các bộ điều chỉnh LQG đã loại được đến 90%
tác động của nhiễu hệ thống và nhiễu đo vào hệ.
4.5. Điều khiển LQ cho mô hình phi tuyến.
Nhằm đánh giá kết quả xây dựng các mô hình trạng thái phi tuyến SS_LN và chất
lượng động học của các bộ điều khiển tuyến tính đã được xây dựng, mục này sẽ trình
bày các kết quả mô phỏng mạch vòng điều chỉnh LQR, LQG, xét ở lân cận điểm làm
việc xác lập cho các đối tượng phi tuyến SS_NL_1 và LL_NL_0
Quá trình mô phỏng ứng với tải xác lập 0,5pu. Các bộ điều chỉnh LQR, LQG
được xây dựng cho mô hình tuyến tính hóa tại điểm làm việc 0,5pu.
4 .5.1. Điều khiển LQR cho mô hình phi tuyến.
Ở thời điểm t=25s, tăng tải cho hệ thêm 0,05pu và giảm 0,01pu ở thời điểm
t=175s (tương ứng +5% và -1% so với tải định mức, hay +10% và -2% so với tải xác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
93
- Mô hình SS_NL_1: Ứng với thay đổi 0,01pu, độ sụt tốc chỉ khoảng 0,0035pu
và lệch so với mô hình SS_LN_1 khoảng 0,0005pu, thời gian xác lập khoảng 8s và
không có sự khác biệt lớn giữa đáp ứng của hai mô hình. Khi có sự thay đổi tải 0,04pu,chênh lệch về độ sụt tốc khoảng 0,0022pu và quá điều chỉnh cũng không lớn (0,0055pu
so với 0,0028 với mô hình SS_LN_1). Thời gian xác lập không khác biệt, khoảng 20s.
a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng công suất cơmec P
Hình 4.19: Đáp ứng điều chỉnh LQG của mô hình SS_LN_0 theo tải và nhiễu
- Mô hình SS_NL_0: Đáp ứng tốc độ và công suất cơ rất chính xác so với đápứng của mô hình SS_LN_ 0. Chênh lệch về đáp ứng tốc độ gần như bằng 0, chênh lệch
về công suất cơ chỉ khoảng 0,0003pu ứng với mức thay đổi tải 0,04pu. Các chỉ tiêu
khác như thời gian xác lập, sai lệch tĩnh và sai lệch bám đều giống nhau.
4.6. Kết luận chƣơng.
Qua việc xây dựng cấu trúc các khâu điều chỉnh LQ, mạch vòng điều chỉnh, phân
tích kết quả mô phỏng đáp ứng điều chỉnh tốc độ cho hai mô hình SS_LN_0 vàSS_LN_1 đã cho thấy:
Các cấu trúc điều chỉnh LQ mà tác giả đã xây dựng thể hiện chất lượng động học
rất tốt, đáp ứng tốc độ với mạch điều chỉnh LQG có dao động rất nhỏ, khoảng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
96
Về phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng thực hiện trong quá trình xây dựng cấu
trúc phi tuyến, mô hình trạng thái và các mạch vòng điều chỉnh:
Sự đồng dạng đáp ứng giữa mô hình SS_LN và SS_NL cho thấy khi xét ở mộtlân cận bé của điểm làm việc xác lập, các mô hình tuyến tính SS_LN thể hiện đầy đủ
và khá chính xác bản chất động học của mô hình phi tuyến SS_NL. Mô hình SS_NL_0
và SS_LN_0 sẽ rất hiệu quả để nghiên cứu ổn NMTĐ khi đường ống áp lực được chế
tạo bằng những vật liệu cứng (xem như cứng tuyệt đối và không có đàn hồi), khi đó có
thể sử dụng cấu trúc điều chỉnh LQR cho hệ, bởi 5 biến trạng thái của mô hình
SS_NL_0 đều đo được.
Các cấu trúc điều chỉnh LQ cho mô hình tuyến tính hoá cũng đã được tác giả xây
dựng thành công, đáp ứng tốc độ của tuabin khi có nhiễu tải tác động với độ lớn đến
0,1pu vẫn đảm bảo sụt tốc chỉ xấp xỉ 0,02pu với thời gian xác lập rất nhanh, bền vững
và sai lệch tĩnh rất bé. Các bộ điều chỉnh LQG và LQG/LTR ngoài việc đáp ứng nhanh
với sự thay đổi của tải, khả năng loại bỏ đến 90% tác động của nhiễu hệ thống và nhiễu
đo cũng là một kết quả tốt. Đặc biệt, kỹ thuật LTR đã mang lại cho bộ điều chỉnh LQG
chất lượng động học rất gần với bộ điều chỉnh LQR, tuy nhiên tác động của nhiễu lên
đầu ra vẫn tồn tại do đặc điểm của hệ pha không cực tiểu, khó tìm được LQG/LTR có
thể khử hoàn toàn tác động của nhiễu.
Cuối cùng, các bộ điều chỉnh được xây dựng từ việc tuyến tính hoá mô hình phi
tuyến được sử dụng để điều chỉnh cho đối tượng phi tuyến, sự sai lệch bé về độ sụt tốc
(lượng quá điều chỉnh <0,8% trong khi đó thông số này với bộ PID truyền thống là
5%) và sự đồng dạng về đáp ứng, cũng như các chỉ tiêu chất lượng khác như sai lệch
tĩnh, sai lệch bám và thời gian quá độ nhỏ, thời gian xác lập hầu như không thay đổi
đã khẳng định chất lượng động học của các bộ điều chỉnh đã được xây dựng.
Với kết quả đạt được như vậy, cho phép khẳng định rằng: luận văn đã tiếp cận và
xây dựng đúng phương pháp đối với mô hình toán, mô hình trạng thái của đối tượng.
Việc phân tích vai trò các khâu điều chỉnh, nguyên nhân tồn tại sai lệch tĩnh và đưa ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
97
giải pháp khử sai lệch tĩnh là hoàn toàn hợp lý, từ đó đã xây dựng đúng cấu trúc các
khâu điều chỉnh cũng như mạch vòng điều chỉnh, điều này đã được khẳng định một lần
nữa từ kết quả điều chỉnh mô hình trạng thái phi tuyến ở mục 4.5. Kết quả này hoàntoàn có thể đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống thực, khi NMTĐ là một hệ phi
tuyến có quá trình động học phức tạp và các hằng số thời gian lớn.
Vì điều kiện thời gian, nên luận văn mới dừng lại ở mức độ thành công về mặt
điều khiển theo phương pháp LQ cho tốc độ Turbine thuỷ điện tốt hơn khi dùng
phương pháp điều khiển truyền thống (bộ điều khiển PID), trong đó hệ được xét ở lân
cận điểm làm việc xác lập. Việc kết hợp kỹ thuật chuyển mạch hay Gain-Scheduling để
có thể điều khiển đối tượng trên toàn dải tải, nghiên cứu xây dựng chương trình điều
k hiển để thử nghiệm trên thiết bị thuỷ lực là vấn đề mà tác giả dự định tiếp tục phát
triển nghiên cứu trong thời gian tới.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của Thầy hướng dẫn và các thầy trong
khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Kính mong các Thầy và các bạn
đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được tốt hơn.