Mô hình hóa và mô phỏng tổ hợp diesel lai máy phát đồng bộ kích thích độc lập sử dụng trong hệ thống phát điện độc lập

- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng tháiHhệ thống điện như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện… Mỗi phần tử c

112Equation Chapter 2 Section 1LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiêncứu Trong đồ án có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tàiliệu tham khảo

Hải Phòng, tháng 2 năm 2014Sinh viên: LÂM THANH TÙNG

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN ĐỘC LẬP 4

1.1 Khái niệm về hệ thống điện 4

1.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống điện 6

1.3 Ổn định hệ thống điện 7

1.4 So sánh hệ thống điện độc lập và hệ thống điện quốc gia 11

1.5 Giới thiệu tổ hợp Diesel – máy phát điện đồng bộ 12

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA TỔ HỢP DIESEL – MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ 15

2.1 Tổng quan về động cơ Diesel 15

2.1.1 Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ diesel 15

2.1.2 Mô hình hóa động cơ diesel 23

2.2 Mô hình máy phát đồng bộ 25

2.3.1 Mô tả vật lý 25

2.3.2 Mô hình toán học 27

2.3.3 Phương trình máy phát ở hệ trục ba pha 28

2.3.4 Phương trình máy phát viết ở hệ trục dq 30

2.3.5 Các phương trình vi phân 36

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỔ HỢP DIESEL – MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VÀ MÔ PHỎNG 38

3.1 Mô tả bài toán kỹ thuật 38

3.2 Hệ thống điều khiển tần số 39

3.3 Hệ thống điều khiển điện áp 40

3.4 Mô phỏng với MATLAB 43

3.4.1 Các khối Governor và Excitation 44

3.4.2 Khối máy phát 46

3.4.3 Động cơ không đồng bộ 47

3.5 Kết quá mô phỏng 48

3.5.1 Tải thuần trở R 48

3.5.2 Tải thuần trở kết hợp với động cơ không đồng bộ 52

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế và đất nước

ta đang từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu sử dụng của nước tatăng trưởng không ngừng trên tất cả mọi vùng miền Vì vậy sự nhảy vọt về côngsuất của hệ thống điện lưới quốc gia cũng như nhu cầu cấp thiết về điện ở cácvùng hải đảo xa xôi hay các vùng núi cao đã buộc chúng ta phải gấp rút địnhhướng phát triển thêm các hệ thống phát điện độc lập với nguồn điện có thể lànăng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời…) kết hợp với tổ hợp diesel lai máyphát điện đồng bộ Với lý do đó, việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thốngphát điện độc lập là rất đáng để chúng ta lưu tâm và cũng là một hướng đi rất rõràng cho các sinh viên, kỹ sư nghiên cứu tiến hành Dựa vào những điều trên cụ

thể trong đồ án này sẽ nghiên cứu vấn đề “Mô hình hóa và mô phỏng tổ hợp diesel lai máy phát đồng bộ kích thích độc lập sử dụng trong hệ thống phát điện độc lập” dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Phạm Tuấn Anh.

Mặc dù đã cố hết sức, đồ án chắc chắn cũng không tránh khỏi còn nhữngthiếu sót Bản thân sinh viên thực hiện rất mong sẽ nhận được những nhận xét,góp ý, đánh giá và phê bình từ các thầy các cô

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Ths.Phạm TuấnAnh, thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trongsuốt thời gian làm đồ án để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Đồng thời, cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong bộmôn Điện tự động công nghiệp cũng như Khoa điện – điện tử tàu biển và tất cảcác thầy cô giáo công tác trong trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã dạy dỗ

và chỉ bảo trong suốt 5 năm qua từ những ngày đầu khi mỗi sinh viên bỡ ngỡbước vào cổng trường đại học

Xin chân thành cám ơn!

Hải Phòng, tháng 2 năm 2014Sinh viên: LÂM THANH TÙNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN

ĐỘC LẬP

1.1 Khái niệm về hệ thống điện

Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất,truyền tải và tiêu thụ năng lượng

Các phần tử của hệ thống điện được chia thành hai nhóm:

- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối

và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùngđiện

- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng tháiHhệ thống điện như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo

vệ rơle, máy cắt điện…

Mỗi phần tử của hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số, các thông

số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liênlạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫncủa đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnhkích thích…Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của hệthống điện

Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị củachúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số…như là độ từ hoá…trong phần lớncác bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính.Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là mộtdạng phi tuyến của hệ thống điện, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một

số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áptrong các bài toán ổn định

Ở mức độ rất lớn, ta có hệ thống điện quốc gia Ở mức độ nhỏ, ta có hệthống điện riêng của một nhà máy, hay một bệnh viện, một tòa nhà

Hệ thống điện độc lập là một hệ thống điện không có liên hệ với hệ thống

điện quốc gia, có công suất trung bình/nhỏ (thường dưới 10 MW), hay gặp ở

những khu vực có điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho việc kết nối với lướiđiện quốc gia như vùng núi cao, hải đảo, sa mạc…hoặc cũng có thể dùng làmnguồn dự phòng cho các nhà máy, xí nghiệp, các dây chuyền sản xuất.

Thông thường, hệ thống điện sử dụng nhiều hơn một nguồn năng lượng

để sản xuất ra điện năng, ta gọi hệ thống điện như vậy là hệ thống điện hỗn hợphay hệ thống điện lai Một ví dụ là hệ thống điện quốc gia Ở hệ thống đó, ta cónhững nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử sản xuất điện năng tươngứng từ thủy năng, nhiệt năng và năng lượng từ các phản ứng hạt nhân Trongthời gian gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (nănglượng gió, mặt trời, sóng biển,…) trong các hệ thống điện ngày càng được cácnước quan tâm phát triển

Hiện nay, ở các hệ thống điện lớn, tỷ lệ điện năng đóng góp bởi các nguồnnăng lượng tái tạo là còn rất khiêm tốn và sẽ chỉ tăng chậm trong những năm tới.Trong khi đó, ở các lưới điện độc lập mới, năng lượng tái tạo hiện đã được sửdụng như một nguồn năng lượng chính Ta sẽ so sánh một số đặc điểm cơ bảncủa lưới điện lai độc lập sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điệnquốc gia ở mục tiếp theo

Hình 1.1 Sơ đồ một hệ thống điện lai

1.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải

có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tầnsố) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn

- Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chấtlượng đảm bảo Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùngđiện và điều kiện của hệ thống điện

- Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chấtlượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phânphối điện năng nhỏ nhất

- Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, ngườidùng điện và thiết bị phân phối điện [1]

1.3 Ổn định hệ thống điện

Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tácdụng P và công suất phản kháng Q Công suất do các nguồn sinh ra phải bằngcông suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tửcủa hệ thống điện.

F  pt    212\* MERGEFORMAT (.)

F  pt   313\* MERGEFORMAT (.)Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:

2

S P  414\* MERGEFORMAT (.)Cho nên các điều kiện cân bằng công suất 12 và 13 không thể xét mộtcách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng

Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện một cách gầnđúng có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản khángtuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau Đó là:

- Sự biến đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thốngđiện, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể Như vậy tần số có thể xem

là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng

- Sự biến đổi của công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện ápcủa hệ thống điện Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cânbằng công suất phản kháng

Trong khi vận hành hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất 12 và

13 được đảm bảo một cách tự nhiên Các thông số của chế độ luôn giữ các giátrị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn

Các điều kiện cân bằng công suất 12 và 13 và 14 là các cơ sở xuất phát để

tính toán các chế độ của hệ thống điện Từ các điều kiện ấy ta tính được cácthông số của chế độ U, I, P, Q…

Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và hệ thống điện, quyđịnh các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và công suất phản kháng nhưsau:

- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng

bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép fcpmin ≤ f ≤ fcpmax

- Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của hệ thốngđiện nằm trong giới hạn cho phép: Ucpmin ≤ U ≤ Ucpmax

Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cânbằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng

Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống Vì ở tất cả cácđiểm trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung Việc đảm bảo tần số do đó dễthực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó

Trái lại, sự cân bằng công suất phản kháng mang tính chất cục bộ thừachỗ này thiếu chỗ khác Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp khôngthể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được

Trong hệ thống điện độc lập, máy phát điện là quyết định sự làm việc củatoàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng công suất tác dụng trên trục roto của máy phátđóng vai trò quan trọng quyết định chất lượng của hệ thống

Như trên đã nói, sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệthống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắctác động lên máy phát và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây

Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tạitrong thực tế Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động từ bên ngoài.Một chế độ thoả mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trongthực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suấtkhông bị thay đổi

Các kích động đối với chế độ hệ thống điện được chia làm 2 loại: các kíchđộng nhỏ và các kích động lớn

a) Ổn định tĩnh

Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi củathiết bị điều chỉnh…Các kích động này tác động lên roto của máy phát, phá hoại

sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động

Chế độ xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏnày, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích độngnhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kíchđộng nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh

Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên

độ khá lớn Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện,biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…Các kích động lớn tác độnglàm cho cân bằng công suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tươngứng bị dao động rất mạnh Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích độngnày mà chế độ xác lập không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệthống điện

cho nên tần số được xem như không thay đổi Vì vậy đặc trưng quá trình daođộng rotor của máy phát khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữgiá trị đồng bộ ω = ω0 chế độ vẫn là chế độ đồng bộ.

Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá huỷ, tốc độ góc của rotor

bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượts:

+ ω0 – tốc độ đồng bộKhi đó hệ thống điện rơi vào chế độ không đồng bộ, công suất và cácthông số khác của chế độ dao động rất mạnh với biên độ lớn Chế độ khôngđồng bộ kéo dài sẽ dẫn đến:

- Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các máy phát bị cắt khỏi lưới và ngừnglàm việc

- Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn địnhtổng quát

Ta có, định nghĩa ổn định tổng quát:

Ổn định tổng quát là khả năng của hệ thống điện lập lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động.

d) Ổn định điện áp

Ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi Sự biếnđổi điện áp này có thể làm cho mất cân bằng công suất tác dụng và công suấtphản kháng dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làmviệc Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà chế độ làmviệc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn định điện áp

Ta có, định nghĩa ổn định điện áp (ổn định phụ tải):

Ổn định phụ tải là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải [1].

1.4 So sánh hệ thống điện độc lập và hệ thống điện quốc gia

NGUỒN PHÁT

LƯỚI PHÁT

HỘ TIÊU THỤ

Hình 1.2 Lưới điện quốc gia

Các lưới điện độc lập có những tính chất khác biệt so với lưới điện chungcủa quốc gia Trong phân tích, ta thường coi hệ thống điện quốc gia như mộtmáy điện khổng lồ với công suất vô hạn, tần số và biên độ điện áp của lưới coinhư là không đổi Giả thuyết đó dẫn đến việc ảnh hưởng thêm hoặc bớt một máyphát điện với lưới quốc gia là không đáng kể Vì có số lượng máy phát lớn, việcphân tích hệ thống điện quốc gia không cần thiết và cũng không thể dùng các

mô hình có độ chính xác cao về động học cho từng máy điện

Hình 1.2 mô tả một lưới điện quốc gia bao gồm các thành phần:

- Nguồn phát: có thể là các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân,

…Nguồn phát của lưới quốc gia thường phát điện áp 6KV

- Lưới phát: gồm có các biến áp tăng áp từ 6KV lên 220KV hoặc500KV để phục vụ cho việc truyền tải

- Lưới truyền tải: bao gồm đường dây, các cột điện cao thế và các trang

thống điện này, một máy phát có thể phát tới hơn 30% công suất của cả lưới.Hơn nữa, vì các nguồn năng lượng tái tạo (gió, ánh sáng mặt trời, sóng biển)luôn biến đổi theo thời gian, do đó mà sự thăng giáng về tần số và biên độ điện

áp của lưới là đáng kể Việc phân tích và mô hình hóa lưới điện lai, bởi vậy cầnđến những mô hình động học có độ chính xác cao hơn để việc mô phỏng sát vớithực tế và có thể kiểm tra, dự báo được vận hành của hệ thống khi có những sự

cố xảy ra

Trong phạm vi của đồ án này sẽ tập trung giải quyết vấn đề mô hình hóa

tổ hợp Diesel – máy phát điện đồng bộ và mô phỏng cùng với ổn định tốc độquay của rotor máy phát khi phụ tải luôn thay đổi mỗi lúc một khác nhau, mộtphần rất quan trọng trong hệ thống điện lai độc lập sao cho sát nhất với thực tế

1.5 Giới thiệu tổ hợp Diesel – máy phát điện đồng bộ

Một tổ hợp diesel – máy phát điện đồng bộ phải được điều khiển cho chạy

ở một tốc độ không đổi để đảm bảo tần số luôn không đổi Động cơ diesel có ưuđiểm hoạt động tin cậy và đơn giản, cùng với đó là giá thành đầu từ vừa phải và

dễ vận chuyển Mô hình toán của động cơ phải mô tả được tốc độ tiêu thụ nhiênliệu và công suất cơ trên trục động cơ tức là các hàm truyền đạt phải mô tả đượcmối liên hệ giữ mức độ tiêu thụ nhiên liệu và công suất đầu ra

Một động cơ diesel cần một hệ thống điều khiển tốc độ để duy trì tốc độđầu ra của hệ thống luôn xấp xỉ tốc độ đặt, nghĩa là tần số đầu ra của máy phátđồng bộ luôn phải được giữ ổn định ở 50Hz Bộ điều khiển tốc độ sẽ điều khiểntrực tiếp van tiếp nhiên liệu và tỷ lệ tiếp nhiên liệu cần thiết theo sự biến đổi củatải cũng có nghĩa là có thể giữ tốc độ rotor của máy phát đồng bộ gần như liêntục trong quá trình phụ tải thay đổi

Cũng tương tự như vậy, máy phát cũng cần một bộ điều khiển điện áp đểgiữ điện áp luôn gần với giá trị đặt, việc này rất quan trọng trong việc đảm bảo

độ tin cậy và sự hoạt động ổn định của lưới điện Phụ tải thay đổi là lý do chínhgậy ra biến động điện áp trên lưới, từ những phân tích lý thuyết, tải thay đổi sẽảnh hưởng bao gồm cả về giá trị biên độ điện áp tức thời và hệ số công suất trênlưới Do đó, sẽ gây ra phản ứng phần ứng trong máy phát điện, dẫn đến sự thay

đổi điện áp trên máy phát Để có thể kiểm soát những thay đổi này thì cần phải

có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cần

có độ ổn định tốt, phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi của điện áp máy phát.Tóm lại, hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cần đảm bảo chức năng [4]:

- Duy trì điện áp máy phát không đổi

Thông thường, khi điện áp máy phát thay đổi, kéo theo đó hệ thống tựđộng điều chỉnh điện áp sẽ điều chỉnh để thay đổi điện áp kích từ cấp chomáy phát để duy trì điện áp máy phát luôn không đổi

- Điều chỉnh công suất phản kháng của các máy chạy song song khi có

từ 2 tổ hợp diesel – máy phát đồng bộ trở lên

- Hoạt động hiệu quả ở chế độ ổn định tĩnh

- Hoạt động hiệu quả ở chế độ ổn định động

Bộ điều khiển tốc độ

Bộ điều khiển điện áp và hệ thống kích từ

Động cơ Diesel Máy phát đồng

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống máy phát điện Diesel

Một hệ máy phát điện Diesel thể hiện trên Hình 1.3 bao gồm:

- Động cơ Diesel: cung cấp mômen cơ làm quay rotor của máy phát điệnđồng bộ

- Máy phát điện đồng bộ: từ năng lượng cơ được cung cấp bởi động cơDiesel và từ trường cung cấp bởi hệ thống kích từ sinh ra điện năngphát lên lưới

- Các bộ điều khiển:

o Bộ điều khiển tần số: điều khiển tốc độ quay, cũng là điều khiểntần số phát điện thông qua điều khiển mômen cơ mà động cơDiesel cung cấp

o Bộ điều khiển điện áp: điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụgiữ cho điện áp đầu ra không đổi và tránh quá tải cho mạch kíchtừ.

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA TỔ HỢP DIESEL – MÁY PHÁT

ĐIỆN ĐỒNG BỘ

2.1 Tổng quan về động cơ Diesel

Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt có chức năng biến đổi nhiệt năngthành cơ năng Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không được cung cấpnhiệt năng từ bên ngoài một cách trực tiếp, mà được cung cấp nhiên liệu sau đónhiên liệu bị đốt cháy để tao ra nhiệt năng Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu màngười ta chia các loại động cơ nhiệt ra thành hai nhóm: động cơ đốt trong vàđộng cơ đốt ngoài Ở động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trongkhông gian công tác của động cơ và cũng tại đó diễn ra quá trình chuyển hóanăng lượng nhiệt thành năng lượng cơ Ở động cơ đốt ngoài, nhiên liệu được đốtcháy trong lò riêng biệt để cung cấp nhiệt cho môi chất công tác, sau đó môichất công tác được dẫn vào không gian công tác của động cơ để thực hiện quátrình chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng

2.1.1 Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ diesel

a) Khái niệm

Động cơ diesel là loại động cơ đốt trong hoạt động theo nguyên lý: nhiênliệu tự phát hỏa khi được phun vào buồng đốt cháy chứa không khí nén đến một

áp suất và nhiệt độ đủ cao

b) Phân loại các động cơ đốt trong

Các loại động cơ đốt trong được phân loại dựa theo các tiêu chí sau đâyTheo loại nhiên liệu:

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng dễ bay hơi như: xăng, benzen,alcohol,…

- Động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng khó bay hơi như: gas, dầu,…

Theo phương pháp phát hỏa nhiên liệu:

- Động cơ phát hỏa bằng tia lửa

- Động cơ diesel

- Động cơ semidisel

Theo số chu kỳ công tác:

- Động cơ 4 kỳ

- Động cơ 2 kỳ

Theo phương pháp nạp khí mới vào không gian công tác:

- Động cơ không tăng áp

- Động cơ tăng áp

Theo đặc điểm kết cấu:

- Động cơ một hang cylinder, động cơ hình sao, hình chữ V, W, H,…

- Động cơ có cylinder thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằm nghiêng

Theo tính năng:

- Động cơ tốc độ thấp, động cơ tốc độ trung bình, động cơ tốc độ cao

- Động cơ công suất lớn, động cơ công suất nhỏ

d) Chu trình năng lượng của động cơ diesel

Để tạo ra chuyển động cho trục động cơ, diesel thường sẽ lặp lại bốn chutrình công tác như sau:

áp suất trên đường ống nạp Sự giảm áp suất bên trong cylinder so với áp suấtcủa đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từđường ống nạp vào xilanh Áp suất môi chất đối với động cơ ta xét bằng với ápsuất khí quyển (lúc này áp suất trong buồng đốt sẽ lớn hơn áp suất khí quyển,như thế không khí bên ngoài sẽ đươc nạp nhanh và nhiều hơn vào trong xi lanh)

Kỳ nén:

Hình 2.3 Kỳ nén

Piston chuyển dịch từ điểm chết dưới đến điểm chết trên, các xupap hút

và xả đều đóng, môi chất bên trong cylinder bị nén lại Cuối kỳ nạp khi pistoncòn ở tại điểm chết dưới, áp suất môi chất bên trong cylinder còn nhỏ Đầu kỳnén, piston từ điểm chết dưới đến điểm chết trên khi đó áp suất bên trong xilanhmới đạt tới giá trị bằng với áp suất trên đường ống nạp Do đó, để hoàn thiệnquá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở Việc đóng xupap nạp lànhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa cylinder và đường ống nạp cũng như độngnăng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mớivào cylinder Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của piston sẽ làm ápsuất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên Giá trị của áp suất cuối quá trìnhnén phụ thuộc vào tỷ số nén, độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thànhvách cylinder và áp suất của môi chất ở đầu quá trình nén Việc tự bốc cháy củahỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn Muốn sử dụngtốt nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quátrình cháy phía ở lân cận điểm chết trên Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanhđộng cơ đều được thực hiện trước khi piston đến điểm chết trên Lúc này nhiệt

độ buồn cháy khoảng từ 500oC đến 800oC

Kỳ cháy và giãn nở:

Hình 2.4 Kỳ cháy và giãn nở

Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuốiquá trình nén được bốc cháy nhanh Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làmnhiệt độ và áp suất chất môi chất tăng mạnh, mặc dù thể tích làm việc có tănglên chút ít Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, piston tiếp tụcđẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong cylinder Trong quátrình giãn nở môi chất đẩy piston sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi

là hành trình công tác (sinh công)

Kỳ xả:

Hình 2.5 Kỳ xả

Kỳ thải trong kỳ này, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏicylinder Piston chuyển dịch từ điểm chết dưới đến điểm chết trên đẩy khí thải rakhỏi cylinder qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải, do áp suất bêntrong cylinder ở cuối quá trình thải còn khá cao, nên xupap xả bắt đầu mở khipiston còn cách điểm chết dưới 430o góc quay của truc khuỷu Nhờ vậy, giảmđược lực cản đối với piston trong quá trình thải khí và nhờ sự chênh áp lớn tạo

sự thoát khí dễ dàng từ cylinder ra đường ống thải, cải thiện được việc quét sạchkhí thải ra khỏi cylinder động cơ Kỳ thải kết thúc chu trình công tác, tiếp theopiston sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên Để thảisạch sản phẩm cháy ra khỏi cylinder, xupap xả không đóng tại vị trí điểm chếttrên mà chậm hơn một chút, sau khi piston qua khỏi điểm chết trên 170o gócquay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một Để giảm sức cản cho quá trìnhnạp, nghĩa là cửa nạp phải được mở dần trong khi piston đi xuống trong kỳ một,xupap nạp cũng được mở sớm một chút trước khi pittông đến điểm chết trên

170o góc quay trục khuỷu Như vậy vào cuối kỳ thải và đầu kỳ nạp cả hai xupapnạp và xả đều mở

+ Kiểm tra mức dầu bôi trơn (LO) ở cacte của diesel

+ Nếu máy có bơm dầu bôi trơn sơ bộ, chạy bơm dầu bôi trơn sơ bộ+ Kiểm tra áp suất gió khởi động, nếu khởi động bằng gió nén (P = 15

÷ 25 kg/cm3) Kiểm tra acquy và các dây dẫn nếu khởi động bằng động

cơ điện

+ Quan sát các phần quay có bị vướng mắc gì không

+ Nếu diesel trước đó bị sự cố → loại bỏ sự cố → sau đó hoàn nguyên

hệ thống (ấn nút reset)

+ Chọn chế độ khởi động bằng tay (Man) hoặc tự động (Auto)

- Khởi động (Start)

Khi có tín hiệu khởi động:

+ Ở chế độ Man: ấn nút start+ Ở chế độ Auto: mất nguồn chính

→ Diesel được khởi động, tốc độ diesel tăng dần, lúc đó sẽ có haitrường hợp xảy ra:

+ Khởi động thành công: Tốc độ diesel tăng lên, khi đạt tới tốc độ

nmin, có tín hiệu ngắt khởi động Tốc độ diesel tiếp tục tăng tới tốc

độ đặt (thường bằng tốc độ định mức nđm) Có tín hiệu đưa mạchbáo động và bảo vệ áp lực dầu bôi trơn vào làm việc (trước đó bịloại ra) Tắt bơm dầu bôi trơn sơ bộ (nếu có)

+ Khởi động không thành công: sau một thời gian, cũng có tín hiệungắt khởi động Tốc độ diesel giảm dần về 0 Nếu hệ thống chophép tự khởi động lại một số lần (thường là 3) thì hệ thống chờ mộtthời gian từ (8 ÷ 12 phút) để cho gió hoặc ắc qui phục hồi, khởiđộng lần 2 Nếu không thành công, sau thời gian trễ hệ thống tiếptục khởi động lần 3 Nếu tiếp tục không thành công hệ thống sẽdừng khởi động và phát tín hiệu báo khởi động không thành công.Người vận hành xác định nguyên nhân, loại bỏ nguyên nhân, hoànnguyên hệ thống, sau đó có thể phát lệnh khởi động lại

Dừng diesel (stop)

- Dừng bình thường: người vận hành chủ động dừng máy hoặc trạmphát chủ động phát lệnh dừng (khi điện lưới được phục hồi, hoặc tảicủa trạm nhỏ không cần các máy phát công tác song song) Hệ thốngđược cấp nguồn cho cuộn dừng cắt nhiên liệu phun vào diesel, diesel

sẽ dừng

- Dừng sự cố: Khi các thông số của diesel không đảm bảo như áp suấtdầu bôi trơn quá thấp hoặc nhiệt độ làm mát quá cao hoặc diesel vượttốc độ (n > nđm) → hệ thống tự động cấp nguồn cho cuộn dừng sự cốkéo thanh răng nhiên liệu về không Diesel dừng khẩn cấp, sau đó hệ

thống báo động bằng chuông hoặc còi kết hợp với đèn báo tên thông

số bị sự cố Sauk hi xác định được nguyên nhân → loại bỏ nguyênnhân → muốn cho diesel hoạt động trở lại phải hoàn nguyên hệ thống(ấn nút reset hoặc tắt nguồn, sau đó bật nguồn trở lại)

2.1.2 Mô hình hóa động cơ diesel

Mô hình động cơ Diesel thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quay trục rotorcũng như năng lượng cơ học sinh ra với lượng nhiên liệu được cung cấp Từ khinhiên liệu được phun vào xi lanh tới khi nó được đốt cháy cần một khoảng thời

gian Quá trình này được mô tả bởi một khâu trễ, với thời gian trễ τ 1 là thời gian

trung bình giữa hai lần nạp nhiên liệu

Hiệu suất của quá trình đốt nhiên liệu ε được định nghĩa là tỉ số giữa năng

lượng hữu ích sinh ra bởi động cơ (thể hiện bởi năng lượng cơ ở trục khuỷu) vớinhiệt năng được cung cấp lúc đó, cụ thể:

ω: tốc độ quay của trục khuỷu động cơ, cũng là tốc độ quay cơ học của

rotor máy điện đồng bộ, và K = 2 là số kỳ của động cơ

'

B

m : khối lượng nhiên liệu trung bình được đốt trong một giây [kg/sec]

m B: khối lượng nhiên liệu trung bình được phun vào trong một giây[kg/sec]

H M: nhiệt lượng của dầu Diesel [≈43000 kJ/kg]

Việc nhiên liệu không được đốt hoàn toàn là nguyên nhân chính làm giảmhiệu suất của động cơ Diesel Ta định nghĩa áp suất có ích trung bình của động

cơ, pi là:

i H

W p V



828\* MERGEFORMAT (.)

với V H là tổng dung tích các xi lanh [m3]

Từ hai phương trình trên, rút ra:

Mômen cơ do động cơ Diesel sinh ra:

Từ các phương trình trên, ta thu được mô hình toán của động cơ Diesel.Hình 2.6 thể hiện mô hình đó dưới dạng sơ đồ khối

Hình 2.6 Mô hình động cơ Diesel

Trong thực tế, việc thu thập đầy đủ các tham số của mô hình động cơDiesel là khá khó khăn Ngoài ra, ta có thể sử dụng một mô hình đơn giản hơn,

với việc bỏ qua tổn hao cơ (C 3 = 0) Khi ấy toàn bộ mô hình động cơ Diesel là một khâu trễ với hằng số thời gian τ D = τ 1, và có đầu ra bị giới hạn bởi các giá trị

m Dm max , m Dm min Từ dữ liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất động cơ diesel, có thểkết luận rằng động cơ diesel chỉ có thể hoạt động được từ 60 – 75% công suấttối đa của chúng để tránh bị thiệt hại và già hóa động cơ [3]

2.2 Mô hình máy phát đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống máyphát điện diesel Việc phân tích và mô hình hóa máy điện đồng bộ đã đượcnghiên cứu trong suốt thế kỷ 20 Lý thuyết về máy điện đồng bộ được đề cập kỹlưỡng trong tài liệu [1]

Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện côngnghiệp, trong đó động cơ sơ cấp có thể là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabinnước Với công nghệ chế tạo hiện đại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàngtrăm MW hoặc lớn hơn Máy phát thường tuabin hơi có tốc độ quay lớn do đóđược chế tạo theo kiểu cực ẩn và có trục quay đặt nằm ngang Trong khi đó,máy phát điện tuabin nước thường có tốc độ quay thấp nên có kết cấu theo kiểucực lồi và trục được đặt thẳng đứng Trong trường hợp máy phát điện có côngsuất nhỏ và cần di động thì thường dùng động cơ diesel làm động cơ sơ cấp vàgọi là máy phát điện diesel Các máy phát điện thường được sử dụng làm việcsong song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện côngsuất nhỏ

2.3.1 Mô tả vật lý

Máy phát điện đồng bộ ở hình dưới bao gồm: phần cảm (rotor) và phầnứng (stator) Phần cảm gồm 1 cuộn dây kích từ trên rotor Phần ứng hồm 3 cuộndây ở stator được phân bố lệch nhau 120o trong không gian để khi từ trườngquay ổn định, các điện áp sinh ra trên chúng sẽ lệch nhau 120o về thời gian

Hình 2.7 Sơ đồ mặt cắt máy phát điện đồng bộ ba pha

Từ trường trong máy điện đồng bộ là do dòng điện trong các dây quấnstator và rotor sinh ra Khi máy điện làm việc không tải, trong dây quấn ở statorkhông có dòng điện, từ trường trong máy điện chỉ do dòng điện kích từ một

chiều i fd ở rotor sinh ra

Khi rotor quay, từ trường này quét các dây quấn của stator và cảm ứngtrong các dây quấn này một sức điện động xoay chiều Khi máy điện làm việcvới tải 3 pha đối xứng, ngoài từ trường kích từ còn có từ trường do dòng điện tảisinh ra Từ trường sinh ra do 3 dòng điện xoay chiều chạy trong dây quấn stator

là từ trường quay đồng bộ với lưới điện Từ trường sinh ra bởi dòng một chiều ởcuộn dây kích từ, mặt khác, quay với tốc độ bằng với tốc độ mạch rotor Khi

hoạt động ở trạng thái ổn định, từ trường của stator và rotor quay cùng một tốc

độ Do đó ở trạng thái xác lập, rotor quay với tốc độ đồng bộ tính bởi công thức:

60 f n

dây giảm dao động (damping winding) kd, kq như ở Hình 2.8

2.3.2 Mô hình toán học

Hình 2.8 Mạch điện rotor và stator của máy điện đồng bộ

Phép biến đổi Park (biến đổi dq0) thường được sử dụng để chuyển cácphương trình của máy điện đồng bộ về dạng đơn giản và thuận lợi cho phân tích

Liên hệ giữa các đại lượng dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định gắn với statorsang và hệ dq0 gắn với rotor quay với tốc độ đồng bộ (tương tự cho các đạilượng điện áp, từ thông)

2.3.3 Phương trình máy phát ở hệ trục ba pha

Để nghiên cứu quá trình quá độ trong máy điện đồng bộ thường sử dụngphương trình vi phân ở hệ trục pha (hệ trục không chuyển động) của máy

Các phương trình viết dưới dạng ma trận như sau:

Phương trình cân bằng sức điện động của stato:

         s

d

R I U U dt

15215\*MERGEFORMAT (.)

Phương trình cân bằng điện áp mạch rôto:

   A B CT

  I  I A I B I CT

  U U A U B U CT

U S U SA U SB U SCTPhương trình vi phân thứ hai 216 là phương trình cân bằng điện áp mạchrôto có giá trị như sau:

 r f rd rqT

 I r I f I rd I rqT

U r U f U rd U rqT

 R r R f R rd R rqTPhương trình vi phân thứ ba 217 là phương trình mômen

Trong các phương trình trên:

ω là góc hợp bởi trục không chuyển động (trục pha A) với hướng trục d

Từ thông móc vòng có thể biểu diễn theo độ tự cảm và cảm ứng tương hỗnhư sau:

 

00

  là ma trận độ tự cảm của các pha rotor

[M sr ], [M rs] là các ma trận độ cảm ứng tương hỗ giữa mạch stato với rotor

2.3.4 Phương trình máy phát viết ở hệ trục dq

Hệ quay đồng bộ với từ trường quay hệ (d, q), được gọi là hệ Park