Chuyên đề 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 PhÇn I Lý thuyÕt c¬ b¶n cña thiÕt bÞ ®iÒu tèc 3 I.1. Sù ®iÒu chØnh tua bin vµ sù ®iÌu chØnh tua bin vµ ph©n lo¹i m¸y ®iÒu. 3 I.1.1. S¬ l−îc vÒ lý thuyÕt vÒ ®iÒu chØnh tua bin thuû lùc 3 I.1.2. Giíi thiÖu c¸c lo¹i m¸y ®iÒu tèc trong tr¹m thuû ®iÖn 5 I.2. NHU CÇU C¸C LO¹I M¸Y ®IÒU TÈC TRONG TR¹M THUÛ ®IÖN 9 I.3. XU H−ÍNG CHÕ T¹O C¸C LO¹I M¸Y DIÒU TÈC TRªN THÕ GIÍI 9 I.4 ChÕ t¹o m¸y ®iÒu tèc ë ViÖt Nam 11 PhÇn II. Nghiªn cøu, chÕ t¹o ®iÒu tèc ®iÒu chØnh l−u l−îng vµ ®iÒu tèc ®iÒu chØnh phô t¶i 13 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 Lùa chän sö dông vi xö lý 13 II.1.2. øng dông vi xö lý 8051 13 II.1.3 Nghiªn cøu øng dông vi xö lý t¹i trung t©m nghiªn cøu thuû ®iÖn nhá – ViÖn Khoa häc Thuû lîi 15 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 thµnh bé ®iÒu khiÓn ®a t¸c dông 19 II.3. X¸c ®Þnh ph−¬ng ph¸p ®iÒu chØnh tua bin 20 II.3.1. S¬ ®å ®iÒu khiÓn 20 II.3.2. S¬ ®å khèi chøc n¨ng 23 II.4 ThiÕt kÕ phÇn cøng 23 II.4.1 CPU 23 II.4.2 Khèi hiÓn thÞ 24 II.4.3 Khèi ®o l−êng tÇn sè 25 II.4.4 Khèi b¸o hiÖu mùc n−íc 26 II.4.5 TÝn hiÖu ®ãng m¸y sù cè bªn ngoµi 26 II.4.6 C¸c c«ng t¸c thiÕt lËp gi¸ trÞ vËn hµnh 27 II.4.7 Khèi ®iÒu khiÓn 27 II.4.8 Khèi cÊp nguån 28 II.5. X©y dùng phÇn mÒm ®iÒu khiÓn 28 II.5.1 Lùa chän ng«n ng÷ 28 II.5.2 S¬ ®å khèi tÝnh to¸n chÝnh 29 II.6 ChÕ t¹o hoµn chØnh bé ®iÒu tèc 37 II.7 X©y dùng qui tr×nh vËn hµnh, söa ch÷a, b¶o d−ìng 38 II.8 §Ò xuÊt n©ng cao chÊt l−îng thiÕt bÞ 38 II.9 B¶n vÏ nguyªn lý 39 PhÇn III Nghiªn cøu bé ®iÒu tèc ®iÒu khiÓn phô t¶i 40 III.1 Tæng quan 40 III.1.1 Th«ng tin tõ n−íc ngoµi 40 III.1.2 Lùa chän ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ 42 III.2 ThiÕt kÕ phÇn cøng 50 III.2.1 CPU 50 III.2.2 Khèi ®o l−êng tÇn sè 51 III.2.3 C«ng t¸c thiÕt lËp gi¸ trÞ vËn hµnh 51 III.2.4 Khèi ®iÒu khiÓn t¶i 53 III.2.5 §iÌu khiÓn kiÓu R¬le 53 III.2.6 Khèi cÊp nguån 53 III.3 X©y dùng phÇn mÒm ®iÒu khiÓn 54 III.3.1 Lùa chän ng«n ng÷ 54 III.3.2 S¬ ®å khèi tÝnh to¸n chÝnh 54 III.4 ChÕ t¹o hoµn chØnh bé ®iÒu khiÓn 59 III.5 §Ò xuÊt n©ng cao chÊt l−îng thiÕt bÞ 60 III.6 B¶n vÏ nguyªn lý 61 Phô lôc I PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn l−u tèc ®iÒu chØnh l−u l−îng 63a 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 ViÖn khoa häc thuû lîi 1 §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 NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 2 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. B¸o c¸o khoa häc §Ò tµi KC07- 04 ViÖn khoa häc thuû lîi 3 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: dt dJMM ct ω=− (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: const MM dt dJ ct = =−= ω ω 0 (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) NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 4 Và ta đã biết, với cột nước làm việc H và lưu lượng Q, công suất của tua bin là: N Q H tb = γ. . 102 (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: M Q H t = × γ ω . . .Φ 102 (5) 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. NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 5 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: NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 6 (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. NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 7 - 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 NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 8 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. c¬ thñy lùc Analog DIGITAL §iÖn tö thñy lùc Analog DIGITAL §iÖn tö §iÖn ®iÒu chØnh l−u l−îng Analog DIGITAL ®iÒu chØnh phô t¶i m¸y ®iÒu tèc Hình 1 - Phân loại máy điều tốc NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 9 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: NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 10 - 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. NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 11 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 NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 12 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. B¸o c¸o khoa häc §Ò tµi KC07- 04 ViÖn khoa häc thuû lîi 13 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: NC, thiÕt kÕ, chÕ t¹o ®iÒu tèc cho c¸c tr¹m thuû ®iÖn nhá ®Ò tµi Kc07-04 ViÖn khoa häc thuû lîi 14 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 805