Đồ Án Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số của máy phát điện 3 pha

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 7
LỜI CẢM ƠN 8
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 11
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 13

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 14
1.1. Đặt vấn đề 14
1.2. Mục đích nghiên cứu 15
1.3. Phạm vi nghiên cứu 15
1.4. phương pháp và phương tiện nghiên cứu 15
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA 16
I. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA CẤP TỪ BIẾN TẦN 16
2.1. Khái quát chung 16
2.2. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ như sau 16
2.3. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ 3 pha 16
2.3.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 16
2.3.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ 19
2.4. Các đặc điểm điều chỉnh khi sử dụng biến tần 21
2.5. Hệ truyền động điện trên cơ sở động cơ không đồng bộ ba pha 22
II. MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 3 PHA 24
2.1. Khái niêm 24
2.2. Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ 24
2.2.1. Kết cấu của máy phát điện đồng bộ cực ẩn 24
2.2.2. Kết cấu của máy điện cực lồi 25
2.3. Hệ kích từ của máy phát đồng bộ 25
2.3.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện đồng bộ 25
2.3.2. Quan hệ giữa điện áp ra với dòng điện kích từ 27
2.4. Các thông số chủ yếu của máy phát điện đồng bộ 28
2.4.1. Điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục ( Xd, Xq ) 28
2.4.2. Điện kháng quá độ X’d 28
2.4.3. Điện kháng siêu quá độ 28
2.5. Các đặc tính của máy phát đồng bộ 29
III. THIẾT BỊ TẠO TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 29
3.1. Ưu và nhược điểm khi sử dụng hệ thống dùng PLC 30
3.2. Lý do sử dụng PLC cho đề tài 31
3.3. Bộ điều khiển PID trong PLC Step7 31
3.3.1. Bộ điều khiển mềm PID 31
3.3.2. Bộ điều khiển FB41 (CONT C) 33
IV. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 45
4.1. Biến tần Micro Master 440 – MM440 46
4.1.1 Giới thiệu chung 46
4.1.2. Nét nổi bật của MM440 47
4.1.3. Các tính chất của biến tần 47
4.1.4. Thông số kỹ thuật của biến tần MM440 48
4.1.5.2. Sơ đồ mạch điều khiển 50
4.1.6. Các thông số cài mặc định của biến tần 54
V. THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ PHẢN HỒI VỀ PLC 55
5.5. Giới thiệu chung về máy phát tốc 55
5.5.2. Nguyên lý làm việc của máy phát tốc 56
VI. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU VÀ TẦN SỐ 57
6.1. Các phương pháp đo điện áp 57
6.1.1. Vônmét số chuyển đổi thời gian 57
6.1.2. Vônmét số chuyển đổi tần số 58
6.1.3. Vônmet chuyển đổi trực tiếp (chuyển đổi bù) 59
6.1.4. Vônmét số sử dụng ADC 60
6.1.5. Đo điện áp bằng phương pháp so sánh 60
6.2. Các phương pháp đo tần số 61
6.2.1. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng 61
6.2.2. Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm 61
6.2.3. Đo tần số bằng phương pháp đếm tần 61
VII. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG 63
7.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha. 63
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN 3 PHA. 65
A. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TRONG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 65
I. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP, TÂN SỐ 65
1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch đo phản hồi tần số 65
1.2. Sơ đồ board và bố trí linh kiện 66
1.3. Sơ đồ mạch board 66
1.4. Chức năng và nguyên lý của từng khối 67
1.5. Giới thiệu về IC chuyển đổi số sang tương tự DAC 0808 69
II. XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA MÁY PHÁT TỐC 72
III. THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐIỆN 3 73
3.1. Sơ đồ mạch nguồn kích từ cho máy phát điện 3 pha 74
3.1.1. Sơ đồ nguyên lý 74
3.1.2. Sơ đồ bố trí linh kiện 75
3.1.3. Sơ đồ mạch board 75
3.1.4. Giới thiệu các phần tử trong mạch 76
3.1.5. Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn kích từ 78
B. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH HỆ THỐNG 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87
A. Kết quả thực hiện đồ án 87
B. Hướng khắc phục và hướng phát triển của đề tài 88
C. Những thuận lợi và khó khăn 88
Tài liệu tham khảo 90
PHỤ LỤC 1 91


LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học - kỹ thuật, và nhất là sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển. Giai đoạn vừa qua việc điều khiển động cơ điện nói chung cũng như động cơ điện xoay chiều nói riêng đã đạt được những tiến bộ vượt bậc.
Trong thực tế hiện nay, các hệ truyền đông điện xoay chiều được ứng dụng rất nhiều trong xản suất cũng như trong công nghệ quốc phòng. Nhưng do đặc thù về cấu trúc cũng như phương pháp điều chỉnh động cơ xoay chiều khá phức tạp mà trước đây khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển thì vấn đề điều chỉnh tốc độ, ổn định tốc độ trong quá trình làm việc gặp nhiều khó khăn, phạm vi ứng dụng hệ điều khiển này hẹp, hầu hết đều sử dụng động cơ điện một chiều do đặc tính điều chỉnh của động cơ này dễ dàng hơn đối với động cơ xoay chiều.
Đối với hệ truyền động điện xoay chiều biến tần  động cơ xoay chiều ba pha, vấn đề điều chỉnh, ổn định tốc độ khá phức tạp vì có nhiều tham số phi tuyến và khó mà thực hiện được. Để thực hiện điều chỉnh người ta tiến hành xây dựng bộ điều chỉnh PID với các tham số mềm có thể dễ dàng điều chỉnh được trên cơ sở xây dựng mô hình lý tưởng hoá, bỏ qua các tác động và coi động cơ như một hệ tuyến tính. Hệ điều khiển ổn định tốc độ biến tần  động cơ không đồng bộ ba pha thực tế đã được tổng hợp theo luật PID và PLC tự động tính toán điều chỉnh thông qua khối FB41.
Để tìm hiểu các vấn đề trên nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “ Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số của máy phát điện 3 pha”. Đề tài đã thể hiện một phần trong những kiến thức mà chúng em đã đạt được sau bốn năm học tập tại trường.
Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót.
Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên Khoa Điện – Điện tử về đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!


LỜI CẢM ƠN
Đồ án được hoàn thành như là một bước ngoặt báo hiệu kết thúc thời gian học tập tại trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên. Nếu không có sự đóng góp từ nhiều phía chắc chắn chúng em khó mà đạt được những kết quả như vậy.
Đó là sự đóng góp tích cực về vật chất, sự ủng hộ động viên tinh thần về phía gia đình – đã hình thành một chỗ dựa vững chắc. Mỗi chúng em sẽ mãi ghi nhớ.
Được học môn PLC và các môn khác cùng với sự trực tiếp hướng dẫn nhiệt tình của thầy Lương Văn Sử và thầy Vũ Hồng Sơn giúp chúng em thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trong số kiến thức mà chúng em đạt được có sự đóng góp của nhiều thầy cô, cùng với sự giúp đỡ, những lời động viên đúng lúc trong khi học và trong thời gian thực hiện đề tài của các bạn sinh viên lớp Đ – ĐTK5.1, có lẽ chúng em không thể nào quên!

Hưng Yên, Ngày Tháng . Năm 2011
Sinh viên thực hiện
Vũ Thị Lan
Đinh Văn Linh
Nguyễn Văn Ngọc



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Stato: Phần tĩnh động cơ không đồng bộ
Roto: phần quay động cơ không đồng bộ
F1: Tần số lưới điện
P: Số đôi cực động cơ không đồng bộ
E2: Sức điện động của động cơ không đồng bộ
W: Tốc độ quay của động cơ không đồng bộ
S: Hệ số trượt của động cơ
Mth: Momen tới hạn
HTTĐĐ: Hệ thống truyền động điện
D: Đường kính roto trong máy phát
L: Chiều dài
E1: Sức điện động cảm ứng trên các pha của máy phát
W: Số vòng dây cuộn dây stato của máy phát
Kd0: Hệ số dây quấn
¬q: Từ thông do cuộn kích từ sinh ra
TĐK: Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ
It: Dòng kích từ
Ut: Điện áp kích từ
Rt: Điện trở kích từ
Xd: Điện kháng đồng trục của máy phát
Xq: Điện kháng ngang trục của máy phát
Xq’: Điện kháng quá độ của máy phát
Kp: Hệ số khuêch đại
E: Sai số
WK: Là cuộn dây kích từ của máy phát tốc
Uk: Là điện áp mẫu chính xác cao
CT: Là thiết bị tự động phát hiện sự chênh lệch điện áp ΔU =UX ưUK


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ 17
Hình 2.2: Kết cấu stato máy điện không đồng bộ 18
Hình 2.3: Cấu tạo rôto động cơ không đồng bộ 18
Hình 2.4: Cấu tạo máy điện không đồng bộ rôto dây quấn 19
Hình 2.5: Quá trình tạo mômen của máy điện không đồng bộ 20
Hình 2.6: Mô hình điều khiển động cơ bằng biến tần 21
Hình 2.8: Cấu trúc của khối PID mềm trong Step 7 33
Hình 2.9: Cấu trúc bên trong của Modul mềm FB41 “CONT_C’. 34
Hình 2.10: Sơ đồ khối thuật điều khiển PID trong khối FB41 35
Hình 2.11: Cấu trúc khối FB41 36
Hình 2.12: Bộ điều khiển PID 42
Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của hệ thống điều khiển với một bộ điều khiển PID 44
Hình 2.14: Thông số kỹ thuật của biến tần MM440 46
Hình 2.15: Sơ đồ mạch động lực của MM440 50
Hình 2. 16: Các đầu nối của MM440 51
Bảng 4: Các đầu dây điều khiển 51
Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý của biến tần MM440 53
Hình 2.19: Nguyên lý làm việc của máy phát tốc độ 56
Hình 2.20: Quan hệ Uf=F(n) 57
Hình 2.21: Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha. 63
Hình 2.22: Mô hình hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha trên thực tế. 65
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đo phản hồi tần số 66
Hình 3.2: Sơ đồ bố trí linh kiện khối vi xử lý khối chỉnh lưu tạo xung vuông 67
Hình 3.3: Sơ đồ board khối vi xử lý khối chỉnh lưu tạo xung vuông 67
Hình 3.4: Dạng sóng điện áp xung vuông 69
Hình 3.5: Cấu tạo của DAC0808 71
Hình 3.6: Sơ đồ thu gọn của DAC0808 71
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khuếch đại điện áp 74
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch kích từ 76
Hình 3.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch nguồn kích từ 76
Hình 3.10: Sơ đồ mạch board mạch nguồn kích từ 77
Hình 3.11: Hình dạng thực của LM317 77
Hình 3.12: Hình dạng thực tế của transistor B688 78
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tốc độ quay của roto 83
Hình 3.14: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào tốc độ quay của roto 83
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của điện áp đầu ra vào tốc độ quay của roto khi đầu ra của máy phát được nối với tải 3 bóng đèn sợi đốt 75w 85
Hình 3.16: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào tốc độ quay của roto khi đầu ra của máy phát được nối với tải 3 bóng đèn sợi đốt 75w 86


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Như ta đã biết với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật như hiện nay và trong tương lai thì vấn đề đo lường điều khiển, giám sát một hệ thống là một vấn đề vô cùng quan trọng góp phần vào việc phát triển ngành công nghiệp của nước ta. Chúng em đã thực hiện đề tài “ Đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha”. Với mong muốn tìm hiểu về công nghệ của đề tài và củng cố những kiến thức đã thu được.
Trong đề tài này chúng em đã thực hiện những nội dung sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: “Tổng quan về hệ thống đo lường và điều khiển ổn định điện áp và tần số máy phát điện 3 pha”. Trong phần này chúng em trình bày tổng quan về máy phát, tìm hiểu về các đo lường tần số, điện áp, giới thiệu tổng quan về PLC, PID, xây dựng và ghép nối hệ thống.
Chương 3: “ Xây dựng và khảo sát hệ thống”. Trên cơ sở yêu cầu của bài toán cũng như các thiết bị hiện có chúng em xin trình bày phương pháp giải quyết bài toán của đề tài một cách tối ưu nhất có thể.