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

Equation Chapter 2 Section 1LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên
cứu. Trong đồ án có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài
liệu tham khảo
Hải Phòng, tháng 2 năm 2014
Sinh viên: LÂM THANH TÙNG
1
MỤC LỤC
2
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 ta
tăng trưởng không ngừng trên tất cả mọi vùng miền. Vì vậy sự nhảy vọt về công
suất của hệ thống điện lưới quốc gia cũng như nhu cầu cấp thiết về điện ở các
vùng hải đảo xa xôi hay các vùng núi cao đã buộc chúng ta phải gấp rút định
hướng phát triển thêm các hệ thống phát điện độc lập với nguồn điện có thể là
năng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời…) kết hợp với tổ hợp diesel lai máy
phát điện đồng bộ. Với lý do đó, việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống
phát điện độc lập là rất đáng để chúng ta lưu tâm và cũng là một hướng đi rất rõ
ràng 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 những
thiếu 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 Tuấn
Anh, thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong
suốt 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 bộ
môn Điện tự động công nghiệp cũng như Khoa điện – điện tử tàu biển và tất cả

các 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 ngỡ
bước vào cổng trường đại học.
Xin chân thành cám ơn!
Hải Phòng, tháng 2 năm 2014
Sinh viên: LÂM THANH TÙNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN
3
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 dùng
điện.
- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái
Hhệ 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 liên
lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn
của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh
kích thích…Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của hệ
thống điện.
Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị của
chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số…như là độ từ hoá…trong phần lớn
các 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 một
dạng 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 áp
trong các bài toán ổn định.
Ở mức độ rất lớn, ta có hệ thống điện quốc gia. Ở mức độ nhỏ, ta có hệ
thống 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 lưới
4
điện quốc gia như vùng núi cao, hải đảo, sa mạc…hoặc cũng có thể dùng làm
nguồn 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 hợp
hay hệ thống điện lai. Một ví dụ là hệ thống điện quốc gia. Ở hệ thống đó, ta có
những nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử sản xuất điện năng tương
ứng từ thủy năng, nhiệt năng và năng lượng từ các phản ứng hạt nhân. Trong
thời gian gần đây, việc nghiên cứu, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (năng
lượng gió, mặt trời, sóng biển,…) trong các hệ thống điện ngày càng được các
nước quan tâm phát triển.
Hiện nay, ở các hệ thống điện lớn, tỷ lệ điện năng đóng góp bởi các nguồn
năng 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 sử
dụng như một nguồn năng lượng chính. Ta sẽ so sánh một số đặc điểm cơ bản
của lưới điện lai độc lập sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện
quốc gia ở mục tiếp theo.
5
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 tần
số) 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 chất
lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng
điện và điều kiện của hệ thống điện.
- Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất
lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân
phối điện năng nhỏ nhất.
- Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người
dùng điện và thiết bị phân phối điện [1].
1.3 Ổn định hệ thống điện
6
Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác
dụng P và công suất phản kháng Q. Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng
công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử
của hệ thống điện.
P P P P
F pt
= + ∆ =
\* MERGEFORMAT (.)
Q Q Q Q
F pt
= + ∆ =
\* MERGEFORMAT (.)
Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng có mối quan hệ:
2
2
2
Q
S
P
= +

\* MERGEFORMAT (.)
Cho nên các điều kiện cân bằng công suất và không thể xét một cách 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 gần
đúng có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng
tuân 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 thống
điện, 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 áp
của hệ thống điện. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân
bằng công suất phản kháng.
Trong khi vận hành hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất và
được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị
sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn.
Các điều kiện cân bằng công suất và và là các cơ sở xuất phát để tính
toán các chế độ của hệ thống điện. Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số
của chế độ U, I, P, Q…
Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và hệ thống điện, quy
định các giá trị cân bằng cho công suất tác dụng và công suất phản kháng như
sau:
7
- 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 f
cpmin
≤ f ≤ f
cpmax
.
- Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của hệ thống
điện nằm trong giới hạn cho phép: U

cpmin
≤ U ≤ U
cpmax
Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân
bằng 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 các
điểm trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ
thực 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 thừa
chỗ này thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp không
thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được.
Trong hệ thống điện độc lập, máy phát điện là quyết định sự làm việc của
toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng công suất tác dụng trên trục roto của máy phát
đóng 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 hệ
thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc
tác 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 tại
trong 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 trong
thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất
không bị thay đổi.
Các kích động đối với chế độ hệ thống điện được chia làm 2 loại: các kích
động nhỏ và các kích động lớn.
a) Ổn định tĩnh
8
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của
thiết 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 nhỏ

này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động
nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích
động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh:
Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu
hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong
thực tế.
b) Ổn định động
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 động
làm cho cân bằng công suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương
ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động
này mà chế độ xác lập không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ
thống điện.
Ta có định nghĩa ổn định động:
Ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm
việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn.
Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại
lâu dài.
c) Ổn định tổng quát
Khi một chế độ nào đó của hệ thống điện chịu các kích động nhỏ hoặc
lớn, nếu hệ thống điện có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng công suất tác
dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá
trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ
9
cho nên tần số được xem như không thay đổi. Vì vậy đặc trưng quá trình dao
động rotor của máy phát khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữ
giá trị đồng bộ ω = ω

0
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 trượt
s:
-
0
0
S
ω ω
ω
=
\* MERGEFORMAT (.)
Trong đó: + ω – tốc độ góc tức thời của máy phát
+ ω
0
– tốc độ đồng bộ
Khi đó hệ thống điện rơi vào chế độ không đồng bộ, công suất và các
thông số khác của chế độ dao động rất mạnh với biên độ lớn. Chế độ không
đồng bộ kéo dài sẽ dẫn đến:
- Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các máy phát bị cắt khỏi lưới và ngừng
làm việc.
- Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định
tổng 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 biến

đổi điện áp này có thể làm cho mất cân bằng công suất tác dụng và công suất
phản kháng dẫn đến mất ổn định phụ tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làm
việc. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà chế độ làm
việc 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].
10
1.4 So sánh hệ thống điện độc lập và hệ thống điện quốc gia
Hình 1.2 Lưới điện quốc gia
Các lưới điện độc lập có những tính chất khác biệt so với lưới điện chung
của quốc gia. Trong phân tích, ta thường coi hệ thống điện quốc gia như một
máy điện khổng lồ với công suất vô hạn, tần số và biên độ điện áp của lưới coi
như là không đổi. Giả thuyết đó dẫn đến việc ảnh hưởng thêm hoặc bớt một máy
phát điện với lưới quốc gia là không đáng kể. Vì có số lượng máy phát lớn, việc
phân 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 hoặc
500KV để phục vụ cho việc truyền tải
- Lưới truyền tải: bao gồm đường dây, các cột điện cao thế và các trang
bị cần thiết
- Lưới phân phối: có các biến áp hạ áp hạ từ các cấp điện áp cao xuống
điện áp 0.4KV để sử dụng
- Hộ tiêu thụ: có thể là hộ loại 1,2 hoặc 3, các nhà máy sản xuất hoặc
dùng cho sinh hoạt
Trong khi đó, một hệ thống điện lai độc lập chỉ bao gồm một số lượng
nhỏ các máy phát điện và bị hạn chế về công suất và thường không có lưới phân

phối mà trực tiếp phân phối cho phụ tải luôn như đã nói ở trên Hình 1.1. Với hệ
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
11
áp của lưới là đáng kể. Việc phân tích và mô hình hóa lưới điện lai, bởi vậy cần
đến những mô hình động học có độ chính xác cao hơn để việc mô phỏng sát với
thực 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 độ
quay của rotor máy phát khi phụ tải luôn thay đổi mỗi lúc một khác nhau, một
phần 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 ưu
điểm 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 nhiên
liệu và công suất cơ trên trục động cơ tức là các hàm truyền đạt phải mô tả được
mối 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 độ
đầu ra của hệ thống luôn xấp xỉ tốc độ đặt, nghĩa là tần số đầu ra của máy phát
đồng bộ luôn phải được giữ ổn định ở 50Hz. Bộ điều khiển tốc độ sẽ điều khiển
trực tiếp van tiếp nhiên liệu và tỷ lệ tiếp nhiên liệu cần thiết theo sự biến đổi của
tải cũng có nghĩa là có thể giữ tốc độ rotor của máy phát đồng bộ gần như liên
tục trong quá trình phụ tải thay đổi.
Cũng tương tự như vậy, máy phát cũng cần một bộ điều khiển điện áp để
giữ 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 chính
gậy ra biến động điện áp trên lưới, từ những phân tích lý thuyết, tải thay đổi sẽ

ảnh hưởng bao gồm cả về giá trị biên độ điện áp tức thời và hệ số công suất trên
lưới. 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
12
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 tự
động điều chỉnh điện áp sẽ điều chỉnh để thay đổi điện áp kích từ cấp cho
máy 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
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 điện
đồng bộ.
- Máy phát điện đồng bộ: từ năng lượng cơ được cung cấp bởi động cơ
Diesel và từ trường cung cấp bởi hệ thống kích từ sinh ra điện năng
phát lên lưới
- Các bộ điều khiển:
o Bộ điều khiển tần số: điều khiển tốc độ quay, cũng là điều khiển
tần số phát điện thông qua điều khiển mômen cơ mà động cơ
Diesel cung cấp.
o Bộ điều khiển điện áp: điều khiển hệ thống kích từ với nhiệm vụ
giữ cho điện áp đầu ra không đổi và tránh quá tải cho mạch kích
từ.
13

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 năng
thành cơ năng. Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không được cung cấp
nhiệt năng từ bên ngoài một cách trực tiếp, mà được cung cấp nhiên liệu sau đó
nhiên liệu bị đốt cháy để tao ra nhiệt năng. Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu mà
người ta chia các loại động cơ nhiệt ra thành hai nhóm: động cơ đốt trong và
động cơ đốt ngoài. Ở động cơ đốt trong, nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp trong
không gian công tác của động cơ và cũng tại đó diễn ra quá trình chuyển hóa
năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ. Ở động cơ đốt ngoài, nhiên liệu được đốt
cháy trong lò riêng biệt để cung cấp nhiệt cho môi chất công tác, sau đó môi
chất công tác được dẫn vào không gian công tác của động cơ để thực hiện quá
trình 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: nhiên
liệu 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 đây
Theo 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:

14
- 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
Theo công dụng:
- Động cơ dung cho xe cơ giới đường bộ
- Động cơ thủy
- Động cơ máy bay,…
15
c) Cấu tạo
Hình 2.1 Cấu tạo động cơ diesel
Cấu tạo như Hình 2.1 của động cơ diesel bao gồm các bộ phận như sau:
1 – Lọc không khí
2 – Ống nạp
3 – Xupap nạp
4 – Xupap xả
5 – Ống xả
6 – Bình giảm thanh
7 – Nắp cylinder
8 – Cylinder
9 – Piston
10 – Xéc măng

11 – Thanh truyền
12 – Trục khuỷu
13 – Cacte
14 – Vòi phun nhiên liệu
16
d) Chu trình năng lượng của động cơ diesel
Để tạo ra chuyển động cho trục động cơ, diesel thường sẽ lặp lại bốn chu
trình công tác như sau:
- Kỳ nạp
- Kỳ nén
- Kỳ cháy và giãn nở
- Kỳ xả
Kỳ nạp:
Hình 2.2 Kỳ nạp
Lúc này piston còn nằm ở động cơ đốt trong, thể tích buồng cháy còn đầy
khí sót lại của chu kỳ trước, áp suất trong cylinder cao hơn áp suất khí quyển.
Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm chuyển dịch piston từ điểm chết trên đến
điểm chết dưới, xupap nạp mở thông cylinder với đường ống nạp. Cùng với sự
tăng tốc của piston, áp suất môi chất trong cylinder trở nên nhỏ dần hơn so với
áp suất trên đường ống nạp. Sự giảm áp suất bên trong cylinder so với áp suất
của đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từ
đường ống nạp vào xilanh. Áp suất môi chất đối với động cơ ta xét bằng với áp
suất 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:
17
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 piston
còn ở tại điểm chết dưới, áp suất môi chất bên trong cylinder còn nhỏ. Đầu kỳ

nén, piston từ điểm chết dưới đến điểm chết trên khi đó áp suất bên trong xilanh
mới đạt tới giá trị bằng với áp suất trên đường ống nạp. Do đó, để hoàn thiện
quá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở. Việc đóng xupap nạp là
nhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa cylinder và đường ống nạp cũng như động
năng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mới
vào cylinder. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của piston sẽ làm áp
suất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối quá trình
nén phụ thuộc vào tỷ số nén, độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thành
vách cylinder và áp suất của môi chất ở đầu quá trình nén. Việc tự bốc cháy của
hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng
tốt nhiệt lượng do nhiên liệu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá
trình cháy phía ở lân cận điểm chết trên. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh
động cơ đều được thực hiện trước khi piston đến điểm chết trên. Lúc này nhiệt
độ buồn cháy khoảng từ 500
o
C đến 800
o
C
Kỳ cháy và giãn nở:
18
Hình 2.4 Kỳ cháy và giãn nở
Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối
quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm
nhiệt độ và áp suất chất môi chất tăng mạnh, mặc dù thể tích làm việc có tăng
lên chút ít. Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, piston tiếp tục
đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong cylinder. Trong quá
trình 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

19
Kỳ thải trong kỳ này, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi
cylinder. Piston chuyển dịch từ điểm chết dưới đến điểm chết trên đẩy khí thải ra
khỏi cylinder qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải, do áp suất bên
trong cylinder ở cuối quá trình thải còn khá cao, nên xupap xả bắt đầu mở khi
piston còn cách điểm chết dưới 430
o
góc quay của truc khuỷu. Nhờ vậy, giảm
được 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 sạch
khí thải ra khỏi cylinder động cơ. Kỳ thải kết thúc chu trình công tác, tiếp theo
piston sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên. Để thải
sạch sản phẩm cháy ra khỏi cylinder, xupap xả không đóng tại vị trí điểm chết
trên mà chậm hơn một chút, sau khi piston qua khỏi điểm chết trên 170
o
góc
quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một. Để giảm sức cản cho quá trình
nạp, 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
170
o
góc quay trục khuỷu. Như vậy vào cuối kỳ thải và đầu kỳ nạp cả hai xupap
nạp và xả đều mở.
e) Khởi động và dừng diesel
Khởi động:
- Chuẩn bị khởi động
+ Via máy, sau khi via xong để tay via vào đúng vị trí. Nếu để không
đúng vị trí sẽ không khởi động được (có công tắc khóa)
+ 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/cm
3
). 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
20
→ Diesel được khởi động, tốc độ diesel tăng dần, lúc đó sẽ có hai
trường hợp xảy ra:
+ Khởi động thành công: Tốc độ diesel tăng lên, khi đạt tới tốc độ
n
min
, có tín hiệu ngắt khởi động. Tốc độ diesel tiếp tục tăng tới tốc
độ đặt (thường bằng tốc độ định mức n
đm
). Có tín hiệu đưa mạch
báo động và bảo vệ áp lực dầu bôi trơn vào làm việc (trước đó bị
loại ra). Tắt bơm dầu bôi trơn sơ bộ (nếu có).
+ Khởi động không thành công: sau một thời gian, cũng có tín hiệu
ngắt khởi động. Tốc độ diesel giảm dần về 0. Nếu hệ thống cho
phép tự khởi động lại một số lần (thường là 3) thì hệ thống chờ một
thời gian từ (8 ÷ 12 phút) để cho gió hoặc ắc qui phục hồi, khởi
động lần 2. Nếu không thành công, sau thời gian trễ hệ thống tiếp

tục khởi động lần 3. Nếu tiếp tục không thành công hệ thống sẽ
dừng khởi động và phát tín hiệu báo khởi động không thành công.
Người vận hành xác định nguyên nhân, loại bỏ nguyên nhân, hoàn
nguyên 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 trạm
phát chủ động phát lệnh dừng (khi điện lưới được phục hồi, hoặc tải
của trạm nhỏ không cần các máy phát công tác song song). Hệ thống
được 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 suất
dầu bôi trơn quá thấp hoặc nhiệt độ làm mát quá cao hoặc diesel vượt
tốc độ (n > n
đm
) → hệ thống tự động cấp nguồn cho cuộn dừng sự cố
kéo 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 nguyên
nhân → 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
21
Mô hình động cơ Diesel thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quay trục rotor
cũng như năng lượng cơ học sinh ra với lượng nhiên liệu được cung cấp. Từ khi
nhiên 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) với
nhiệt năng được cung cấp lúc đó, cụ thể:
'
B M
W
m H
υ
ε
=
Equation Section (Next)\*
MERGEFORMAT (.)
với W: công trung bình sinh ra bởi các piston sau một chu trình Diesel
[kW.sec]
ν: số chu trình Diesel trong một giây
K
ω
π
 
=
 
 
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 giảm
hiệu suất của động cơ Diesel. Ta định nghĩa áp suất có ích trung bình của động
cơ, p
i
là:
i
H
W
p
V
=
\* MERGEFORMAT (.)
với V
H
là tổng dung tích các xi lanh [m
3
]
Từ hai phương trình trên, rút ra:
22
' '
1
M
i B B
H
H
p m C m

V
ε ε
υ
= =
\* MERGEFORMAT (.)
Trong đó: C
1
là hằng số
Khi piston chuyển động trong xilanh, một phần áp suất sinh ra bị mất để
thắng lực cản, lực ma sát. Coi phần áp suất này tỉ lệ với tốc độ trục khuỷu, ta có
phương trình đơn giản như sau:
3

f
p C
ω
=
\* MERGEFORMAT (.)
Với C
3
là 1 hằng số
Như vậy, áp suất có ích thực sự của động cơ là:
–
k i f
p p p
=
\* MERGEFORMAT (.)
Công suất cơ thực tế động cơ Diesel sinh ra là:
Dm H k H k
p V p V p

K
ω
υ
π
= =
\* MERGEFORMAT (.)
Mômen cơ do động cơ Diesel sinh ra:
2
Dm
H
m k k
P
V
m p C p
K
ω π
= = =
\* MERGEFORMAT (.)
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 cơ
Diesel 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
23
m
Dm max
,

m
Dm min
. Từ dữ liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất động cơ diesel, có thể
kết luận rằng động cơ diesel chỉ có thể hoạt động được từ 60 – 75% công suất
tối 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 máy
phát điện diesel. Việc phân tích và mô hình hóa máy điện đồng bộ đã được
nghiên cứu trong suốt thế kỷ 20. Lý thuyết về máy điện đồng bộ được đề cập kỹ
lưỡng trong tài liệu [1].
Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện chính của các lưới điện công
nghiệp, trong đó động cơ sơ cấp có thể là các tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin
nước. Với công nghệ chế tạo hiện đại, công suất của mỗi máy có thể đạt tới hàng
trăm MW hoặc lớn hơn. Máy phát thường tuabin hơi có tốc độ quay lớn do đó
được 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 kiểu cực
lồi và trục được đặt thẳng đứng. Trong trường hợp máy phát điện có công suất
nhỏ và cần di động thì thường dùng động cơ diesel làm động cơ sơ cấp và gọi là
máy phát điện diesel. Các máy phát điện thường được sử dụng làm việc song
song với nhau, nhưng cũng có thể làm việc độc lập ở các lưới điện công suất
nhỏ.
2.3.1 Mô tả vật lý
Máy phát điện đồng bộ ở hình dưới bao gồm: phần cảm (rotor) và phần
ứng (stator). Phần cảm gồm 1 cuộn dây kích từ trên rotor. Phần ứng hồm 3 cuộn

dây ở stator được phân bố lệch nhau 120
o
trong không gian để khi từ trường
quay ổn định, các điện áp sinh ra trên chúng sẽ lệch nhau 120
o
về thời gian.
24
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 quấn
stator và rotor sinh ra. Khi máy điện làm việc không tải, trong dây quấn ở stator
không 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 ứng
trong các dây quấn này một sức điện động xoay chiều. Khi máy điện làm việc
với tải 3 pha đối xứng, ngoài từ trường kích từ còn có từ trường do dòng điện tải
sinh 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 ở
cuộn 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:
25