Thiết kế kỹ thuật bộ điều khiển, giám sát cho trạm phát điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Sự phát triển công nghệ mới trong đóng tàu trên thế giới nói chung và ở
Việt Nam nói riêng rất mạnh mẽ, cùng với sự phát triển không ngừng của
khoa học, kỹ thuật đặc biệt trong lĩnh vực điện, điện tử, tin học và tự động
hoá [3], [9], [10], trong những năm gần đây đã làm tăng khả năng ứng dụng
những thiết bị mới vào các hệ thống điện năng, nhất là việc sử dụng rộng rãi
các thiết bị bán dẫn và vi mạch trong các hệ thống đo lường, bảo vệ và điều
khiển tự động các hệ thống điện, do đó việc ứng dụng những khoa học kỹ
thuật và tự động hoá là tất yếu. Trong lĩnh vực giao thông đường biển, việc
ứng dụng khoa học kỹ thuật và tự động hoá tàu thuỷ [1], [2], [8], cũng không
nằm ngoài sự phát triển chung đó, đặc biệt là các hệ thống tự động điều khiển
giám sát và bảo vệ trạm phát điện sự cố tàu thuỷ [1], [2].
Khi hành trình con tàu không có sự hỗ trợ nào từ bên ngoài vì vậy hệ số
dự trữ, độ tin cậy... của các hệ thống có ảnh hưởng ở những mức độ khác
nhau đến con tàu, an toàn cho người tùy thuộc từng hệ thống và đặc biệt là hệ
thống cung cấp nguồn năng lượng sự cố để đảm bảo nguồn điện liên tục cho
một con tàu là điều tối quan trọng [1], [2] bởi vì khi nguồn điện hệ thống trạm
phát chính bị gián đoạn do một sự cố nào đó làm cho quá trình điều khiển sự
hoạt động của con tàu không thực hiện được gây ra những hậu quả là rất lớn
nếu không được khắc phục kịp thời như: Khi tàu hành trình trên biển mà điều
kiện thời tiết xấu tàu bị thả trôi và có thể chìm, còn khi tàu đang chạy trong
luồng hẹp có thể bị đâm va vào tàu khác, vào các công trình hai bên bờ
luồng... Các sự cố trên đều có thể gây nguy hiểm đến cả tính mạng con người.
Mặt khác với sự phát triển áp đảo của các bộ điều khiển lập trình được
thì hầu như phần điều khiển giám sát của tổ hợp Diesel - Máy phát điện sự cố
đã được điều khiển một cách tối ưu. Với phần mềm giám sát đảm nhiệm chức

1

năng lưu trữ số lần khởi động máy, các sự cố phân tích chúng và đưa ra các
cảnh báo để giúp người vận hành kịp thời bảo dưỡng, sửa chữa nhằm tránh
các sự cố đáng tiếc có thể xảy ra. Tuy nhiên hầu hết các thiết bị lắp ráp trên
tàu như các tổ hợp máy móc và hệ thống điều khiển nói chung và trạm phát
điện sự cố nói riêng đều là các thiết bị nhập ngoại, từ các công ty nước ngoài
giá thành cao, chưa tận dụng nhiều khả năng nội địa hoá.
Vì những lý do trên đây mà việc nghiên cứu hệ thống điều khiển và bảo
vệ trạm phát điện sự cố tàu thuỷ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định,
đồng thời tăng tỷ lệ nội địa hoá, giảm giá thành sản phẩm là một việc cần
thiết, quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện sự cố tàu thuỷ và phù
hợp tình hình kinh tế kỹ thuật của nước ta. Nếu chúng ta có thể xây dựng
được mô hình và có phần mềm riêng thì có thể tự chế tạo sản phẩm với giá
thành rẻ, số lượng lớn, từ đó ứng dụng vào thực tiễn sản xuất, học tập và
nghiên cứu. Đồng thời góp phần vào công cuộc hiện đại hoá ngành tàu biển,
đất nước và mong muốn sử dụng một sản phẩm của chính người Việt Nam.
Xuất phát từ thực tế trên mà tác giả thực hiện đề tài: " Thiết kế kỹ thuật bộ
điều khiển, giám sát cho trạm phát điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển "
2. Mục đích của đề tài
Đề tài thành công sẽ được ứng dụng ngay vào việc chế tạo các bộ điều
khiển, giám sát trạm phát điện sự cố phục vụ đóng tàu trong nước, ứng dụng
vào công tác thí nghiệm và thực hành trong giảng dạy của trường Cao Đẳng
Hàng hải I. Ngoài ra đây sẽ là cơ sở để thực hiện các chương trình nghiên cứu
tiếp theo để phát triển theo qui mô lớn hơn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là bộ điều khiển, giám sát trạm phát
điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển.

2

Phạm vi nằm trong chương trình nghiên cứu chung các khả năng ứng
dụng các thiết bị hiện đại cho trạm phát trong điều khiển giám sát, tự động
hóa tàu thủy:
- Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, chức năng các yêu cầu công nghệ
và yêu cầu điều khiển của hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện sự cố
tàu thủy.
- Nghiên cứu xây dựng lưu đồ thuật toán điều logic cho các chức năng
của hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện sự cố tàu thủy.
- Đề tài xây dựng mô hình vật lý trên nền vi điều khiển họ PIC. Với
tính năng vượt trội so với các họ vi điều khiển khác, khả năng ứng dụng rộng
rãi của nó, tác giả chọn vi điều khiển PIC 16F877A, vì PIC thuận lợi cho việc
truy nhập, tốc độ thực thi lệnh cao, có chứa nhiều bộ phận ngoại vi, bộ nhớ
chương trình và dữ liệu được tích hợp ngay trên chip [10], [11], [15], [18].
4. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên lý thuyết, tài liệu phong phú trong nước cũng như của nước
ngoài đồng thời ứng dụng kỹ thuật tiên tiến hiện đại của vi xử lý, vi điều
khiển. Phân tích tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của
hệ thống điều khiển, giám sát dùng rơ le. Đi sâu tìm hiểu các yêu cầu công
nghệ điều khiển và các yêu cầu về an toàn cho quá trình điều khiển, giám sát.
Xây dựng lưu đồ thuật toán và mạch điều khiển cho hệ thống điều
khiển, giám sát trạm phát điện sự cố tàu thủy
Xây dựng mô hình vật lý cho hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát
điện sự cố tàu thủy để kiểm chứng kết quả nghiên cứu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận văn thực hiện thành công, tạo được hướng phát triển trong nghiên
cứu, chế tạo thiết bị phục vụ trong ngành công nghiệp đóng tàu. Đồng thời
đây cũng là tiền đề để mở rộng phạm vi nghiên cứu, ứng dụng cho các hệ

3

thống tự động điều khiển, điều chỉnh với qui mô lớn hơn trong tương lai. Đề
tài thành công, nếu sản phẩm được cải tiến trở nên hoàn chỉnh thì việc đưa kết
quả vào giảng dạy tại các trường đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp
là rất cần thiết nó mang tính chất nghiên cứu ứng dụng khoa học. Xây dựng
mô hình, cấu trúc phù hợp, điều khiển, lập trình, thay đổi các tham số dễ dàng
và phù hợp theo yêu cầu công nghệ. Sử dụng các thiết bị được sản xuất trong
nước có ý nghĩa về kinh tế rất lớn, góp phần chủ động trong sản xuất, giảm
giá thành sản phẩm, đồng thời không ngừng nâng cao trình độ chuyên môn và
dần thay thế các thiết bị ngoại nhập có tính năng tương đương.

4


CHƯƠNG 1. TRẠM PHÁT ĐIỆN SỰ CỐ TÀU THỦY
1.1. Giới thiệu chung về trạm phát sự cố trên tàu thủy
1.1.1. Giới thiệu chung
Trạm phát điện sự cố bao gồm một máy phát sự cố cấp điện tới Bảng
điện sự cố toàn bộ trạm phát sự cố đặt ở vị trí cao hơn boong chính của tàu,
động cơ lai máy phát sự cố là diesel, máy phát điện sự cố là một máy phát
xoay chiều đồng bộ 3 pha có cùng giá trị điện áp và tần số với các máy phát
chính, cấp điện lên bảng điện sự cố thông qua Áp tomat của máy phát sự
cố[1], [2].
1.1.2. Nhiệm vụ và chức năng của trạm phát sự cố trên tàu thủy
Ở chế độ công tác bình thường thì máy phát sự cố không hoạt động và
thanh cái bảng điện sự cố được cấp điện từ bảng điện chính, khi Bảng điện
chính mất điện, thanh cái Bảng điện sự cố mất điện, máy phát sự cố tự động
khởi động và đóng điện lên thanh cái Bảng điện sự cố, từ Bảng điện sự cố
điện năng được cấp trực tiếp đến các phụ tải rất quan trọng mà không qua
Bảng điện chính. Giữa Áptomát từ bảng điện chính và Áptomát máy phát sự

cố có khóa liên động lẫn nhau, có nghĩa là máy phát sự cố và các máy phát
chính không thể công tác song song[1], [2].
1.1.3. Yêu cầu đối với trạm phát tàu thủy
Trên tàu thuỷ vấn đề an toàn cho con tàu, hàng hoá và tính mạng của
con người rất được quan tâm trong thiết kế. Khi con tàu không hoàn toàn chủ
động hoạt động được do trạm phát chính mất điện thì phải có một tổ máy phát
điện sự cố cung cấp điện năng cho các phụ tải quan trọng nhất.
Theo Qui phạm của Đăng Kiểm Việt Nam 2003 (TCVN 6259: 4-2003)
trạm phát sự cố phải thỏa mãn các yêu cầu
- Nguồn sự cố phải độc lập hoàn toàn với nguồn chính;
- Vị trí đặt. Các tổ máy phát điện sự cố và các thiết bị đi kèm phải đặt ở

5


trên boong hở liên tục cao nhất và dễ dàng tới được từ boong hở;
- Công suất của nguồn sự cố phải đảm bảo cung cấp cho tất cả các hệ
thống điện thiết yếu để đảm bảo an toàn trong trường hợp sự cố;
- Đối với máy phát sự cố thì phải thỏa mãn yêu cầu sau
+ Động cơ lai máy sự cố phải là động cơ diesel được làm mát tự nhiên
hoặc cưỡng bức bằng hệ thống quạt gió, được cung cấp nhiên liệu độc lập và
nhiên liệu có điểm chớp cháy không nhỏ hơn 430C;
+ Các tổ máy phát điện sự cố phải tự động khởi động khi trạm phát
chính mất điện, tự động đóng cầu dao cấp nguồn sự cố trong thời gian không
quá 45 giây.
- Tuỳ theo công suất của tổ máy phát điện sự cố mà các phụ tải có thể
được cung cấp là. Chỉ báo góc lái hoặc điện cho máy lái; Tay chuông truyền
lệch; Hệ thống liện lạc điện vô tuyến; Hệ thống thiết bị dẫn đường ra da, máy
đo sâu, thiết bị định vị; Ánh sáng sự cố; Hệ thống tín hiệu báo động chung;
bơm cứu hoả, bơm cứu đắm ( nếu có ).

1.2. Cấu trúc trạm phát sự cố tàu thủy
1.2.1. Cấu trúc chung của trạm phát sự cố
BẢNG ĐIỆN SỰ CỐ
3 pha
ACB 2

3 pha

ĐỘNG CƠ
SƠ CẤP

MÁY
PHÁT
ĐỒNG BỘ
3 PHA

ACB 1

3 pha

3 pha

b
BẢNG ĐIỆN CHÍNH

ĐIỀU KHIỂN

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc chung trạm phát điện sự cố.

6

Nguồn năng lượng chính trong trạm phát sự cố là động cơ diesel tốc độ
thấp truyền động cho máy phát, ACB 1, 2 chuyển đổi nguồn điện từ bảng điện
chính và nguồn từ máy phát sự cố khi mất nguồn chính cấp điện đến bảng sự
điện cố. Việc thực hiện khởi động, dừng, báo động, bảo vệ trạm phát, chuyển
đổi nguốn chính và nguồn sự cố do hệ điều khiển, giám sát thực hiện bằng tay
hoặc tự động (hình vẽ 1.1).
1.2.2. Diesel làm động cơ sơ cấp
Động cơ sơ cấp truyền động cho máy phát điện sự cố là động cơ diesel.
Động cơ diesel là một trong những loại động cơ nhiệt thuộc loại động cơ đốt
trong kiểu piston. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được cháy bên trong
xilanh của động cơ, khí cháy giãn nở đẩy piston chuyển động, thông qua một
cơ cấu đặc biệt gọi là thanh truyền và trục khuỷu, để biến chuyển động thẳng
thành chuyển động quay sinh ra công quay máy phát điện sự cố.
Hệ thống khởi động động cơ diesel là bằng điện ( khác trạm phát điện
chính có thể khởi động cả bằng khí nén ) gồm Động cơ điện khởi động là
động cơ một chiều kích từ nối tiếp được cấp nguồn từ ac qui qua hệ thống
khóa đề, rơ le phụ hoặc được điều khiển từ xa tự động…;
Hệ thống làm mát động cơ gồm một quạt gió gắn đồng trục với động cơ
làm mát nước kín tuần hoàn trong sinh hàn;
Hệ thống ổn định tốc độ động cơ diesel dùng bộ điều tốc cơ khí, bộ
điều tốc điện tử.
Ngoài ra động cơ sơ cấp còn có hệ thống phân phối khí; Hệ thống cung
cấp nhiên liệu; Hệ thống hút không khí và thoát khí thừa; Hệ thống bôi trơn…
1.2.3. Máy phát điện đồng bộ
1.2.3.1. Khái quát chung
Máy phát điện sự cố thường sử dụng chủ yếu là máy phát điện đồng bộ
xoay chiều ba pha, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ biến đổi cơ năng

7


thành điện năng. Để máy điện đồng bộ phát ra năng lượng điện xoay chiều
cần phải có hai yếu tố cơ bản. Nguồn sơ cấp để quay rô to máy phát và từ
trường kích thích [1], [2].
- Nguồn năng lượng sơ cấp ta dùng động cơ diesel có tốc độ ổn định
đảm bảo tần số máy phát điện không đổi ngay cả khi không tải và có tải;
- Khi nguồn sơ cấp ban đầu đã đảm bảo nhưng không có từ trường biến
thiên, máy phát không thể phát ra điện năng. Từ trường biến thiên ban đầu là
do từ dư của nam châm (ro to) sinh ra, khi ro to quay, từ dư quay và gây nên
một sức điện động biến thiên ở Stato, sinh ra dòng điện biến thiên liên tục
mạch ngoài. Một phần điện áp được chỉnh lưu để làm điện áp kích từ cho máy
phát, quá trình tự kích cho đến khi điện áp ở các đầu cực máy phát đạt trị số
điện áp định mức.
Máy phát điện đồng bộ chia theo kết cấu roto gồm máy phát điện đồng
bộ cực ẩn; Máy phát điện đồng bộ cực lồi;
Máy phát điện đồng bộ chia theo phương pháp cấp nguồn kích từ cho
dây quấn roto gồm Máy phát điên đồng bộ có chổi than; Máy phát điên đồng
bộ không có chổi than;
Hiện nay trên tàu thủy thường sử dụng máy phát đồng bộ cực lồi, tốc
phù hợp tốc độ thấp của diesel và chủ yếu là máy đồng bộ không chổi than vì
những ưu điểm vượt trội so với các loại máy phát đồng bộ khác.
1.2.3.2. Phương trình cân bằng và các quan hệ điện từ
a. Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ
Khi dây quấn ba pha của phần ứng được nối với phụ tải, trong dây quấn
này sẽ có dòng điện ba pha. Dòng điện này tạo nên một từ trường quay φ
được gọi là từ trường của phần ứng. Từ trường của phần ứng φ quay đồng bộ
với từ trường rôto φ o, tác dụng của φ đối với φ o được gọi là phản ứng của

8


phần ứng. Tác dụng này phụ thuộc vào giá trị dòng điện Stato I và tính chất
phụ tải
máy phát cấp điện.




- Trường hợp phụ tải thuần trở (hình 1.2.a), véctơ E 0 và I cùng pha.
Lúc đó φ trùng pha với I và chậm sau φ o một góc 90o. Tác dụng của φ lên φ o
trong trường hợp này được gọi là phản ứng phần ứng ngang trục. Phản ứng
này làm méo dạng từ thông φ o.


- Trường hợp phụ tải có tính chất thuần cảm (hình1.2.b), I chậm sau

E 0 một góc 90o. Lúc đó φ cùng pha với I và ngược chiều với φ o. Tác dụng

của φ lên φ o trong trường hợp này được gọi là phản ứng phần ứng dọc trục
khử từ. Phản ứng này làm giảm từ thông của máy phát.




- Trường hợp phụ tải thuần dung (hình1.2.c), I vượt trước E 0 một góc


90o, lúc đó φ cùng pha với I và φ o. Tác dụng của φ lên φ o trong trường hợp

này được gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ. Phản ứng này làm tăng từ
thông tổng của máy phát.

a,

O

φο

c,

b,

IEϕ
N

S

O

E

φο

N
I

S

Ψ=90

O

N

φο

N

S

φ

I

EO

d,

O

Ψ=90
φ

O

φο

O

90

E

φq

Ψ

I

φ

S

Hình 1.2. Đồ thị biểu diễn tác dụng của phản ứng phần ứng trong máy phát
điện đồng bộ ba pha.

9






- Trường hợp phụ tải bất kỳ (hình 1.2.d), I lệch pha với E 0 một góc ψ.


Lúc đó ta có thê phân tích I thành hai thành phần. Thành phần dọc trục I d =
I.sinψ, tạo ra từ thông phần ứng dọc trục φ d ngược chiều hoặc cùng chiều φ o
tùy theo phụ tải có tính chất điện cảm hay điện dung. Khi phụ tải có tính chất

điện cảm, ψ > 0, φ d ngược chiều với φ o (h.1.2.d) làm giảm từ thông của máy
điện. Ngược lại, khi phụ tải có tính chất điện dung, ψ < 0; φ d cùng chiều với
φ o và làm tăng từ trường của máy điện. Thành phần thứ hai là thành phần
ngang trục Iq = I.cosψ tạo ra từ thông phản ứng ngang trục φ q vuông góc với
φ o. Tác dụng của φ q lên φ o làm méo dạng từ thông của máy.
b. Phương trình của máy điện
Khi ψ bất kỳ thì khi đó dòng điện I phân tích thành 2 thành phần dọc
trục d và ngang trục q. Trong máy tồn tại 2 phản ứng phần ứng dọc trục và
ngang trục.
Quá trình điện từ xảy ra như sau
I kt

I

φ kt

Fkt

E0

Id

Fưd

φ ưd

Eưd

Iq

Fưq

φ ưq

Eưq

φT

E

(1.3)

ET
IR

- Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng bộ như hình 1.3
I

E0

X ud

X uq

XT

R

Eud

Euq

ET

UR

E

U

ZT

Hình 1.3. Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng bộ ba pha.

10


- Phương trình cân bằng:
.

.

.

.

.

.

(1.4)

U = E 0 + E ud + Euq + E t − I .R

hay

.

.

.

.

.

.

E = U + J I d . Xưd + J I q Xưq +J I Xt + I .R
0

(1.5)

E0

D

Vậy từ phương trình (1.5)nếu coi R = 0 thì
.

.

.

A

.

E 0 = U + J I d . Xd + J I q Xq

jIdXd

(1.6)

Theo phương trình (1.6) ta lại có sơ đồ tương đương sau

Xd

I

Xq

Ed

C

Eq

ψ

jI qXq

U

E0

U

ZT

Iq
ψ ϕ

Hình 1.4. Sơ đồ tương đương của máy phát khi bỏ qua điện trở R

0

d. Vấn đề tổn hao và hiệu suất của máy phát điện đồng bộ
Trong quá trình làm việc của máy phát tổn hao năng lượng bao gồm
- Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây Stato (phần tĩnh). Tổn
hao này phụ thuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng ây dẫn;
- Tổn hao sắt từ là công suất mất mát trên mạch từ, tổn hao này phụ
thuộc vào trị số từ cảm, tần số, trọng lượng lõi thép, chất lượng thép và công
nghệ chế tạo lõi thép;
- Tổn hao kích từ là công suất mất mát trên điện trở mạch kích từ, trên
chổi than của máy phát (nếu có);
- Ngoài ra còn các tổn hao phụ khác.
Hiệu suất của máy tính theo công thức

η=

PZ
PZ + ∑ P

(1.7)

11


Trong đó: PZ là Công suất đầu ra của máy phát; ∑ P là tổng Công suất
tổn hao trong máy.
1.2.4. Bảng điện sự cố
Trong trạm phát điện sự cố bảng điện sự cố [1], [2], là nơi tập trung
năng lượng điện từ bảng điện chính hoặc từ máy phát sự cố cấp nguồn cho
một số phụ tải rất quan trọng như máy lái, các thiết bị điện hàng hải, bơm cứu
đắm, thiết bị vô tuyến điện, chiếu sáng sự cố…
Cấu trúc chung Bảng điện sự cố về cơ bản tương tự như Bảng điện
chính được bố trí các thiết bị sau
- Ampe metter và chuyển mạch để đo dòng tải các pha máy phát;
- Vôn mét và chuyển mạch để đo điện áp các pha.máy phát;
- Hec mét để đo tần số;
- Wát mét để đo công suất;
- Thiết bị đo điện trở cách điện của trạm phát;
- Các thiết bị bảo vệ máy phát: Bảo vệ quá tải, ngắn mạch;
- Bộ chuyển đổi nguồn tự động: Nguồn chính, nguồn sự cố;
- Cầu dao tự động cho máy phát sự cố và cho nguồn điện từ bảng điện
chính khóa lẫn nhau;
- Bộ tự động điều chỉnh điện áp;
- Bộ điều chỉnh dòng kích từ bằng tay;
- Cầu chì bảo vệ mạch động lực, mạch điều khiển, tín hiệu;

- Bảng điện phụ tải cấp cho các phụ tải xoay chiều;
- Đo hệ số công suất;
- Ngoài ra còn các thiết bị phụ khác.
Sơ đồ một dây giữa bảng điện chính và bảng điện sự cố như hình vẽ 1.5
Trong đó: G1, G2, G3: Máy phát chính;
G4: Máy phát sự cố;

12


Nhóm tải 1, nhóm tải 2: Không quan trọng;
Nhóm tải 3: Phụ tải quan trọng

Hình 1.5. Sơ đồ một dây ghép nối giữa bảng điện chính và bảng điện sự cố
1.3. Kết luận chương 1
Qua phân tích trên ta làm rõ được chức năng, nhiệm vụ của trạm phát
điện sự cố, cấu tạo chung bảng điện sự cố, đặc điển của động cơ sơ cấp cũng
như của máy phát điện đồng bộ ba pha sử dụng trong trạm phát điện sự cố tàu
thủy. Từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu các hệ thống tự động trong chương
2.

13


CHƯƠNG 2. CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TRONG TRẠM
PHÁT ĐIỆN SỰ CỐ
2.1. Hệ thống tự động ổn định tốc độ cho động cơ sơ cấp (diesel)
2.1.1. Khái quát chung
2.1.1.1. Vai trò, chức năng của hệ thống
Tốc độ động cơ sơ cấp lai máy phát có ảnh hưởng trực tiếp đến tần số

của lưới điện xoay chiều phát ra của máy phát điện đồng bộ. Tần số dòng điện
xoay chiều thay đổi khỏi giá trị định mức gây ảnh hưởng xấu đối với quá trình
hoạt động của các máy móc, khí cụ điện đặc biệt là các phụ tải động cơ dị bộ
và phụ tải có tính chất cảm. Vì vậy ổn định tần số cho lưới điện xoay chiểu
đóng một vai trò rất quan trọng đảm bảo chất lượng, độ ổn định… của các
thiết bị điện.
Động cơ sơ cấp lai máy phát sự cố ta xét là các động cơ diesel đã được
tính toán đảm bảo chịu được công suất tối đa trên trục với tốc độ định mức
(tần số định mức) vì vậy khi tốc độ giảm (tần số giảm) sẽ làm giảm công suất
của các động cơ lai. Ngược lại khi tốc độ tăng (tần số tăng) sẽ phá hỏng sự
hoạt động bình thường của các chi tiết cơ khí trong động cơ lai.
Khi tần số lưới điện giảm làm tốc độ quay của các động cơ điện lai các
máy sản xuất như bơm, quạt… sẽ giảm đi làm phá vỡ hoạt động bình thường
của các máy sản xuất giảm năng suất, tính ổn định, kéo dài thời gian thao tác.
Khi tần số lưới điện tăng làm tốc độ quay của các động cơ điện lai các máy
sản xuất như bơm, quạt… sẽ tăng dẫn đến quá tải cho máy phát, bào mòn
nhanh các chi tiết cơ khi quay.
Nhiệm vụ tự động điều chỉnh tốc độ quay là điều chỉnh giữ cho tần số
có một giá trị định mức và không thay đổi cho trạm phát điện sự cố.

14


2.1.1.2. Phân loại hệ thống
Phân loại hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ cho động cơ sơ cấp (để
thuận tiện sau đây chúng ta gọi là hệ thống tự động ổn định tần số).
Dựa theo nguyên lý xây dựng hệ thống bao gồm
- Hệ thống làm việc theo nguyên lý độ lệch;
- Hệ thống làm việc theo nguyên lý kết hợp.
Dựa theo cơ cấu điều khiển bao gồm

- Hệ thống ổn định tần số dùng cơ khí;
- Hệ thống ổn định tần số dùng cơ thủy lực;
- Hệ thống ổn định tần số dùng cơ điện tử và điện tử.
2.1.1.3. Các yêu cầu đối với hệ thống
- Hệ thống phải họat động tin cậy trong mọi điều kiện;
- Đảm bảo duy trì sai số tĩnh tần số trong phạm vi ± 5%;
- Đảm bảo duy trì sự dao động tần số trong phạm vi ± 10% trong thời
gian 5 giây, (trường hợp ngắt đột ngột 100% tải hoặc đóng 50% tải máy phát)
Các yêu cầu này được quy định trong TCVN 6259 - 4; 2003.
2.1.2. Các nguyên tắc xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh tần số
Quan hệ giữa tốc độ quay n của rotor máy phát đồng bộ chính là tốc độ
quay của động cơ lai máy phát với tần số f của lưới điện được biểu diễn theo
công thức

f =

p.n
60

(2.1)

Để điều chỉnh tần số lưới điện chúng ta phải điều chỉnh tốc độ quay của
động cơ lai máy phát. Trong quá trình hoạt động tải của máy phát điện nghĩa
là tải của động cơ lai luôn luôn thay đổi do đó tốc độ động cơ lai cũng luôn

15


thay đổi theo đó chính là nguyên nhân chủ yếu làm thay đổi tần số lưới điện.
Hay nói cách khác nhiễu chính của hệ thống chính là công suất tác dụng của

máy phát điện. Để điều chỉnh tốc độ động cơ diesel chúng ta phải điều điều
chỉnh lượng nhiên liệu đưa vào động cơ. Bộ điều tốc chính là thiết bị có chức
năng tự động điều chỉnh tốc độ diesel. Bộ tự động điều chỉnh tốc độ quay của
động cơ diesel (bộ điều tốc) được xây dựng dựa trên trên 2 nguyên lý cơ bản
của hệ điều khiển tự động.
2.1.2.1. Hệ thống điều khiển theo nguyên lý độ lệch
Hệ thống làm việc theo nguyên lý độ lệch được mô tả trên hình 2.1, Hệ
thống bao gồm các phần tử cơ bản

Hình vẽ 2.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển theo nguyên lý độ lệch
- Bộ đặt tốc độ DTD dùng để đặt giá trị tốc độ ban đầu, với các bộ điều
tốc cơ thì thường dùng sức căng lò so để đặt tốc độ, các bộ điều tốc điện tử thì
dùng các biến trở hoặc nhập tốc độ đặt từ bàn phím;
- Bộ so sánh có tác dụng so sánh tín hiệu đặt với tín hiệu phản hồi tốc
độ thật tạo ra sai lệch tốc độ để điều khiển hệ thống. Với các bộ điều tốc cơ
thì thường so sánh giữa lực căng lò xo đặt tốc độ với lực ly tâm của quả văng
khi quay. Với các bộ điều tốc điện tử thì có thể so sánh các giá trị dòng điện,
điện áp hoặc xung…;
- Bộ khuếch đại dùng để khuếch đại tín hiệu điều khiển. phần tử này có
thể là các cơ cấu cơ khí, hệ thủy lực hoặc các bộ khuếch đại điện tử;

16


- Cơ cấu thực hiện; Thực hiện theo lệnh điều khiển bao gồm các cơ cấu
cơ khí, xy lanh thủy lực, các actuator hoặc các van điều chỉnh tỷ lệ;
- Thanh răng nhiên liệu là tác động điều khiển để thay đổi tốc độ động
cơ;
- Đối tượng điều khiển là động cơ diesel trong đó đại lượng điều khiển
là tốc độ của động cơ;

- Khâu phản hồi kd được đưa vào để tăng độ ổn định cho hệ thống.
2.1.2.2. Hệ thống điều khiển theo nguyên lý kết hợp.

Hình vẽ 2.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển theo nguyên lý kết hợp.
Hệ thống làm việc theo nguyên lý kết hợp được mô tả trên hình 2.2. Hệ
thống bao gồm hệ điều khiển theo nguyên lý độ lệch như trên và kết hợp theo
bộ điều khiển theo nhiễu. Nhiễu chính làm thay đổi tốc độ động cơ lai chính
là tải của máy phát điện và cũng chính là tải của diesel lai đó chính là công
suất tác dụng P. Phần điều khiển theo công suất kp được công với tín hiệu đặt
và phản hồi tốc độ nhưng mang dấu dương.
2.1.3. Các bộ điều tốc cơ khí - thủy lực
Cấu trúc cơ bản nhất của bộ điều tốc cơ khí là bộ cảm biến và so sánh
tốc độ kiểu quả văng ly tâm. Các bộ điều tốc thuần cơ khí sử dụng các bộ
khuếch đại cơ để tác động lên thanh răng nhiên liệu. Các bộ điều tốc cơ thủy
lực sử dụng các bộ khuếch đại thủy lực để tác động lên thanh răng nhiên

17


liệu.Tùy theo yêu cầu làm việc của diesel mà có thể sử dụng bộ điều tốc có
đặc tính n = f(MC) hữu sai - cho các tổ máy phát hoạt động song song hoặc
bộ điều tốc có đặc tính n = f(MC) vô sai- cho tổ máy phát chỉ hoạt động độc
lập.
2.1.3.1. Bộ điều tốc cơ khí

Hình vẽ 2.3. Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ khí
- Cấu trúc cơ bản của bộ điều tốc cơ khí được mô tả trên hình 2.3, bao
gồm bộ cảm biến tốc ly tâm kiểu quả văng 2 được truyền chuyển động quay
qua trục 1. Lực ly tâm của quả văng được so sánh với lưc của lò so đặt tốc độ
3 tạo ra tín hiệu điều khiển đưa đến thanh truyền 5, lực này có thể được thay

đổi nhờ vít chỉnh 4. Cơ cấu khuếch đại là một hệ cơ khí tác động trực tiếp
theo nguyên lý đòn bẩy ab. Tín hiệu ra được đưa đến thanh răng nhiêu liệu 6.
- Đặc tính n = f(M) của bộ điều tốc cơ khí được mô tả trên hình 2.3b
trong đó 1 là đường khi máy chưa có bộ điều tốc, 2 là đường khi máy có bộ
điều tốc cơ khí.
- Đặc điểm của bộ điều tốc cơ khí là hoạt động tin cậy, đặc tính n =
f(MC) khá cứng. Nhưng có nhược điểm là rất khó khăn khi cần phải thay đổi
đặc tính n = f(MC) để phù hợp khi các máy làm việc song song khi đó đòi
hỏi bắt buộc các tổ máy phải giống nhau hoàn toàn.

18


- Các bộ điều tốc cơ khí được sử dụng cho các máy phát công suất nhỏ
và vừa với loại bơm cao áp cụm, các máy làm việc độc lập, nếu các máy làm
việc song song nhau thì yêu cầu các máy và các bộ điều tốc cũng giống nhau.
2.1.3.2. Bộ điều tốc cơ khí - thủy lực có đặc tính hữu sai
- Cấu trúc cơ bản của bộ điều tốc cơ khí - thủy lực có đặc tính hữu sai
được mô tả trên hình 2.4a, bao gồm: Trục quay 1, bộ cảm biến tốc độ ly tâm
kiểu quả văng 2, lò so đặt tốc độ 3, vít chỉnh đặt tốc độ 4, thanh truyền 5, van
trượt 6, khuếch đại thủy lực 7 và thanh răng nhiên liệu 8.
- Nguyên lý làm việc của bộ điều tốc
Khi lực của qủa văng ly tâm cân bằng với lực của lò so đặt tốc độ thì vị
trí của thanh truyền 5 và van trượt 6 giống như trên hình vẽ khuếch đại thủy
lực cho ra khoảng điều chỉnh x tương ứng với vị trí của thanh răng nhiên liệu
cho ra tốc độ động cơ là n.

Hình vẽ 2.4. Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ khí thủy lực đặc tính hữu sai
Giả sử do nguyên nhân nào đó tốc độ động cơ giảm khi đó lực ly tâm
cuả qủa văng giảm nhỏ hơn lưc của lò so nên thanh truyền 5 chuyển dịch

xuống phiá dưới một khoảng z1 qua thanh truyền ABC piston của van trượt
chuyển dịch xuống phía dưới một khoảng i1 nên mở van dưới áp lực dần qua

19


cửa dưới đến khuếch đại thủy lực đẩy piston của khuếch đại thủy lực đi lên
làm thanh răng nhiên liệu dịch chuyển xuống tăng lượng dầu vào máy giữ cho
tốc độ động cơ ở trang thái ban đầu, đồng thời khi piston của khuếch đại thủy
lực dịch chuyển thì điểm C của thanh truyền chuyển động ABC cũng dịch
chuyển lên một khoảng yph1 cho đến khi tốc độ động cơ bằng tốc độ đặt thì x 1
= x van trượt đóng lại bộ điều tốc được đưa về trạng thái cân bằng.
Sơ đồ cấu trúc của hệ được mô tả trên hình 2.4b.
Đặc tính n = f(M) được biểu diễn như ở hình 2.4c.
Đặc điểm của bộ điều tốc cơ - thủy lực có đặc tính hữu sai là có thể
thay đổi độ dốc đặc tính bằng cách thay đổi tỷ số cánh tay đòn (thay đổi hệ số
phản hồi). cho nên được sử dụng nhiều cho các máy có làm việc song song.
Bộ điều tốc này cũng được sử dụng thuận tiện cho các máy có bơm cao áp rời
( mỗi xi lanh một bơm riêng)
2.1.3.3. Bộ điều tốc cơ khí thủy lực có đặc tính vô sai
- Cấu trúc cơ bản của bộ điều tốc cơ khí - thủy lực có đặc tính vô sai
được mô tả trên hình 2.5a, bao gồm bộ điều tốc cơ khí - thủy lực có đặc tính
hữu sai như ở 2.1.3.2 và 01 bộ giảm chấn 9 có tác dụng tạo ra phản hồi mền
cho hệ thống. Bộ giảm chấn là phản hồi âm mềm, chỉ hoạt động ở chế độ
động, không hoạt động ở chế độ tĩnh.

20


Hình vẽ 2.5. Sơ đồ bộ điều tốc cơ khí thủy lực đặc tính vô sai

- Sơ đồ cấu trúc của hệ được mô tả trên hình 2.5b.
- Đặc tính n = f(M) được biểu diễn như ở hình 2.5c.
- Đặc điểm của bộ điều tốc cơ - thủy lực có đặc tính vô sai là đặc tính
rất cứng và được sử dụng nhiều cho các máy có làm việc độc lập, song song.
Bộ điều tốc này cũng được sử dụng thuận tiện cho các máy có bơm cao áp rời
(mỗi xi lanh một bơm riêng)
2.1.3.4. Bộ điều tốc cơ điện theo nguyên lý kết hợp
Sơ đồ khối của bộ điều tốc theo nguyên lý kết hợp cơ điện được mô tả
như trên hình 2.6a; bao gồm 02 kênh điều khiển theo độ lệch và theo nhiễu.
- Bộ điều tốc cơ thủy lực với phần tử cảm biến và so sánh tốc độ theo
nguyên lý quả văng ly tâm;
- Bộ van trượt thủy lực có đặc điểm tác động 2 phía: Từ thanh truyền
chuyển động của quả văng tới piston van trượt và từ thanh truyền chuyển
động của nam châm điện tới xi lanh van trượt;
- Bộ khuếch đại thủy lực;

21


Hình vẽ 2.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ điện theo nguyên lý kết hợp
- Bộ cảm biến công suất tác dụng bao gồm biến áp T1 lấy tín hiệu điện
áp dây, biến dòng BD lấy tín hiệu dòng điện, bộ chỉnh lưu nhạy pha cấp
nguồn điều khiển cho 02 nam châm điện NCĐ1 và NCĐ2 tác động tới xi lanh
van trượt thủy lực, lò so 9 và bộ giảm chấn 10 có tác dụng tăng độ chính xác
và ổn định cho hệ thống.
Bộ điều tốc này gồm có 2 kênh: Kênh tạo tín hiệu theo tốc độ của động
cơ (cụ thể là bộ điều tốc con quay ly tâm) và kênh gồm cảm biến tải tác dụng,
khuếch đại với nam châm điện từ, chính là kênh điều chỉnh theo tải.
+ Khi máy phát không tải hoặc chịu tải thuần cảm thì UB1 = UB2, điện áp
đặt nên 02 nam châm là như nhau do đó lực hút của nam châm điện từ

NCDT1 và nam châm điện từ NCDT2 đối với phần ứng bằng nhau nên phần
ứng nam châm ở vị trí cân bằng nằm ngang không có tín hiệu đưa tới điều
khiển điều tốc;
+ Khi máy phát mang tải thì U B1 ≠ UB2, điện áp đặt nên 02 nam châm
khác nhau do đó lực hút của nam châm điện từ NCDT1 và NCDT2 đối với
phần ứng không bằng nhau nên phần ứng nam châm dịch chuyển theo chiều
có điện áp lớn hơn làm chuyển dịch van trượt 3 của khuếch đại thuỷ lực nên
làm chuyển dịch thanh răng nhiên liệu theo chiều bù lại tốc độ diesel khi tải
thay đổi.
2.1.4. Bộ điều tốc điện tử
Trạm phát điện sự cố có công suất động cơ sơ cấp nhỏ (cỡ hàng chục
KW) việc điều khiển ổn định tốc độ động cơ sử dụng bộ điều tốc điện tử rất
gọn nhẹ và có tính năng tương tự bộ điều tốc cơ khí.
Cấu trúc chung bộ điều tốc điện tử bao gồm
- Phẩn tử cảm ứng tốc độ (magnetic pick-up). Lắp đặt tại vỏ bánh đà và
để đo số vòng quay của bánh đà, cảm ứng vòng quay kiểu từ trường (tức là

22


một cuộn dây có điện trở cuộn dây khoảng 360 Ohm tùy loại). Do sự không
liên tục của bề mặt của một actuator đó là các răng của bánh đà do đó hiệu
điện thế hình thành bên trong cuộn dây của phần tử cảm ứng và tạo ra một
sóng điện kiểu analog (điệp áp khoảng: 1-18V). Phần tử cảm ứng sẽ "đọc"
sóng kiểu tuần hoàn này. Tần số ra của pick-up sẽ là f = (nz/60) f: tần số của
pick-up (Hz), n: số vòng quay của bánh đà (= 1500 v/ph), z: số răng bánh đà)
- Phần tử khuếch đại. Phần tử này hoạt động như một nhận (receiver) của
cảm biến tốc độ mà chức năng cơ bản của nó là biến và khuếch đại tín hiệu
điện tử mà nó có cường độ rất nhỏ, kiểu analog khó đọc thành tín hiệu điện
lớn hơn, tuyến tính dễ đọc hơn.

a, Bộ điều tốc điện tử hãng Cummins

b, Bộ điều tốc điện tử của hãng Fortrust

c, Bộ điều tốc điện tử hãng Woodward

d, Bộ điều tốc điện tử hãng Colman

23


Hình 2.7. Một số hình ảnh bộ điều tốc điện tử các hãng.
- Phần tử so sánh. Người ta cấp cho phần tử này một giá trị đặt trước lớn
hơn giá trị vòng quay định mức khoảng 10%. Các tín hiệu cập từ cơ cấu
khuếch đại được cấp tới đây ở dạng điện liên tục và được so sánh với giá trị
đặt trước.
- Cơ cấu chấp hành (actuator). Lắp trên bơm cao áp và điều khiển vị trí
thanh răng nhiên liệu tuỳ theo dòng điện cung cấp (dòng điện định mức: 02,5A, điện áp 24V). Nếu độ chênh giữa giá trị của đầu vào với giá trị đặt
trước mà lớn hơn cho phép thì cơ cấu chấp hành sẽ tác động lên thanh răng để
"đánh chết" máy.
2.2. Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cho máy phát điện đồng bộ
2.2.1. Khái quát chung
2.2.1.1. Chức năng, các yêu cầu của hệ thống
- Tất cả các thiết bị điện đều được chế tạo để công tác với một điện áp
định mức nhất định. Do đó để phát huy hết tác dụng, độ tin cậy, tuổi thọ của
thiết bị thì phải đảm bảo thiết bị đó phải được làm việc với điện áp định mức
của nó.
Hệ thống tự động ổn định điện áp cho các máy phát đồng bộ ba pha là
hệ thống nhằm duy trì điện áp khi các điều kiện hoạt động của máy phat thay

đổi.
- Những quy định của Đăng Kiểm về ổn định điện áp cho máy phát.
Các cơ quan đăng kiểm đều có các yêu cầu đối với các thiết bị tự động ổn
định điện áp và tần số máy phát điện.
+ Mỗi tổ máy phát điện đều phải trang bị một bộ tự động điều chỉnh
điện áp riêng để khi thay đổi tải tĩnh từ 0- Iđm, với giá trị cosφđm và tốc độ quay
nằm trong giới hạn sai số ± 5%, điện áp máy phát không được thay đổi quá ±
2,5% và khi cos = 0,6 - 0,9 thì độ sút áp không quá ± 2,5%;

24


+ Các bộ tự động điều chỉnh điện áp phải có khả năng cường kích kích
từ để khi thay đổi tải đột ngột đóng 50% tải, ngắt đột ngột 100% tải với giá trị
cos φ = 0,6 - 0,9 thì điện áp máy phát không dao động quá +15% và giảm quá
- 20%, trong thời gián 1,5 giây điện áp máy phát phải về ổn định với độ chính
xác ± 2,5%, với cos φ = 0,3 - 0,4, độ chính xác là ± 2,5%;
+ Máy phát điện đều phải trang bị một bộ tự động điều chỉnh tần số
riêng;
+ Khi thay đổi tải tĩnh tư 0 - P đm, giá trị tốc độ quay thay đổi nằm trong
giới hạn sai số 5%, khi chịu tải đột ngốt 50% và ngắt tải đột ngột 100%, tốc
độ động cơ không được giảm quá 15% và sau 5 giây phải về ổn định trong
phạm vi cho phép sai số so với 5%.
2.2.1.2. Các nguyên nhân gây dao động điện áp máy phát
Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự dao động điện áp sau đây ta xem
xét một số nguyên nhân chính.
- Do dòng tải thay đổi ( khi thay đổi tải);
- Do tính chất tải thay đổi đối với máy fát điện xoay chiều khi tính chất
tải thay đổi thì tính chất của phản ứng phần ứng cũng thay đổi do đó làm thay
đổi điện áp máy phát;

- Ngoài các nguyên nhân chính trên còn có các nguyên nhân phụ khác
như khi nhiệt độ trong cuộn dây máy phát thay đổi, do tốc độ động cơ lai thay
đổi….
2.2.2. Các nguyên tắc xây dựng bộ tự động điều chỉnh điện áp
Dựa theo các nguyên tắc điều khiển tự động người ta xây dựng bộ tự
động điều chỉnh điện áp theo những nguyên tắc cơ bản
- Nguyên tắc điều chỉnh theo nhiễu loạn;
- Nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch;
- Nguyên tắc điều chỉnh theo nguyên lí kết hợp.

25