Điện tàu thủy đại cương

Giáo trình điện tàu thủy đại cương, ĐHGTVT TP Hồ Chí Minh, Tài liệ dành cho các lớp TN, HH, VT, CN... Tài liệu được biên soạn và lưu hành nội bô. Trạm phát điện tầu thuỷ làm nhiệm vụ cung cấp, truyền và phân bố năng lượng điện cho các thiết bị dùng điện. Tất cả các thiết bị để vận hành một con tàu phần lớn đều sử dụng nguồn năng lượng điện, vì vậy năng lượng điện đóng vai trò rất quan trọng quyết định cho sự sống còn của con tàu. Từ các máy móc điện hàng hải như: Vô tuyến, VHF, Rada, Máy đo sâu… đến các thiết bị buồng máy như: Các loại bơm, máy lọc, máy Phân ly, động cơ Diezel … và cả các thiết bị phục vụ cho con người như: Chiếu sáng, đốt nóng, Máy lạnh… đều sử dụng chung một nguồn năng lượng, đó là nguồn năng lượng điện. Sở dĩ có điều này là do nguồn năng lượng điện có nhiều ưu thế hơn các nguồn năng lượng khác ở chỗ: Dễ tạo ra từ các nguồn năng lượng khác cũng như có thể biến đổi từ năng lượng điện sang các dạng năng lượng một cách đơn giản và thuận tiện. Năng lượng điện có thể dễ dàng tập trung, truyền tải cũng như phân bổ trong toàn bộ hệ thống. Các thiết bị điện hoạt động tin cậy, tuổi thọ cao, không gây tiếng ồn, dễ dàng trong vận hành, khai thác, bảo dưỡng hệ thống. Các thiết bị vô tuyến, thông tin liên lạc phải sử dụng đến năng lượng điện. Năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường. Ngày nay một số dạng năng lượng khác cũng đã được đưa vào sử dụng như năng lượng mặt trời, năng lượng nguyên tử nhưng không phổ biến do còn nhiều hạn chế.

PHẦN 1 : TRẠM PHÁT ĐIỆN.

Chương 1: Trạm phát điện tầu thuỷ.

§1 Khái niệm chung

1.1 Khái niệm:

Trạm phát điện tầu thuỷ làm nhiệm vụ cung cấp,

truyền và phân bố năng lượng điện cho các thiết bị dùngđiện

Tất cả các thiết bị để vận hành một con tàu phần lớn đều sử dụng nguồn năng lượng điện, vì vậy năng lượng điệnđóng vai trò rất quan trọng quyết định cho sự sống còn của con tàu Từ các máy móc điện hàng hải như: Vô tuyến, VHF, Rada, Máy đo sâu… đến các thiết bị buồng máy như: Các loại bơm, máy lọc, máy Phân ly, động cơ Diezel … và cả các thiết bị phục vụ cho con người như: Chiếu sáng, đốt

nóng, Máy lạnh… đều sử dụng chung một nguồn năng lượng,đó là nguồn năng lượng điện Sở dĩ có điều này là do nguồn năng lượng điện có nhiều ưu thế hơn các nguồn

năng lượng khác ở chỗ:

- Dễ tạo ra từ các nguồn năng lượng khác cũng như có thể biến đổi từ năng lượng điện sang các dạng năng lượng một cách đơn giản và thuận tiện

- Năng lượng điện có thể dễ dàng tập trung, truyền tải cũng như phân bổ trong toàn bộ hệ thống

- Các thiết bị điện hoạt động tin cậy, tuổi thọ cao, không gây tiếng ồn, dễ dàng trong vận hành, khai thác, bảo

dưỡng hệ thống

- Các thiết bị vô tuyến, thông tin liên lạc phải sử dụng đến năng lượng điện

- Năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường

Ngày nay một số dạng năng lượng khác cũng đã được đưa vào sử dụng như năng lượng mặt trời, năng lượng

nguyên tử nhưng không phổ biến do còn nhiều hạn chế

1.2 Các yêu cầu cơ bản:

Do điều kiện làm việc trên tàu thủy rất khác nghiệt dophải luôn chịu tác động của môi trường như rung lắc, sự chênh lệch nhiệt độ khi tàu đi qua các vùng biển khác nhau,độ ẩm, nước muối….và nhiều điều kiện khác nên phải trạm phát điện trên tàu thủy phải đảm bảo đầy đủ các

yêu cầu cơ bản của một trạm phát điện bình thường thì cònphải thỏa mãn một số yêu cầu sau :

- Phải có kết cấu đơn giản, chắc chắn, gọn nhẹ và ít chiếm diện tích lắp đặt

- Hoạt động tin cậy, an toàn trong mọi điều kiện làm việccủa tàu theo quy định đăng kiểm

- Dễ dàng trong việc vận hành, khai thác và bảo dưỡng

- Đảm bảo tính cơ động

- Hiệu suất sử dụng cao

- Tránh gây tiếng ồn và ít gây nhiễu cho các thiết bị radio…

1.3 Cấu trúc trạm phát điện tàu thủy :

Hiện nay trên các tàu thủy thường sử dụng trạm phátđiện diesel xoay chiều gồm động cơ diesel trung tốc hoặc caotốc lai máy phát xoay chiều đồng bộ 3 pha điện áp 380Vtần số 50Hz hoặc điện áp 440V tần số 60 Hz Trong giớihạn tài liệu này, chúng ta nghiên cứu trạm phát điện dieselxoay chiều

Tùy thuộc vào loại tàu mà trạm phát điện có thể baogồm 2 đến 6 máy phát chính và 1 máy phát sự cố Tàuhàng khô, tàu container thường có 2 đến 3 máy phát, tàukhách thường có 4 đến 6 máy phát, … Các máy phát nàycó thể công tác độc lập hoặc song song nhau

Hình 1.1 vẽ sơ đồ một dây trạm phát điện có 3 máyphát chính trong đó 2 máy phát cùng công suất, 1 máyphát có công suất nhỏ hơn và 1 máy phát sự cố Đây làmột trạm phát điển hình thường thấy ở các tàu hàng, tàucontainer

Trong cấu trúc này sử dụng thêm một máy phát côngsuất nhỏ để tăng tính linh hoạt và tính kinh tế trong khaithác trạm phát điện Khi tàu đỗ bến không làm hàng thìtải tiêu thụ nhỏ, lúc này máy phát công suất nhỏ nàyđược sử dụng

Hình 1.1 Trạm phát điện điển hình ở tàu hàng

02 máy phát công suất lớn 400KVA-380V-50Hz (G1, G2)

01 máy phát công suất nhỏ 180KVA-380V-50Hz (G3)

01 máy phát sự cố 50KVA-380V-50Hz (G4)

Hình 1.2 vẽ sơ đồ một dây trạm phát điện có 2 máyphát chính cùng công suất, 1 máy phát sự cố và 2 máyphát đồng trục Đây là một trạm phát điển hình ở các tàudịch vụ, tàu cứu hộ, … Hai máy phát đồng trục chủ yếucấp điện cho các phụ tải công suất lớn như chân vịt mũi,chân vịt mạn, bơm cứu hỏa, …

Cấu trúc này có ưu điểm là nâng cao hiệu suất sửdụng máy chính, giảm chi phí khai thác bảo dưỡng trạm phát(các diesel lai máy phát)

Hình 1.2 Trạm phát điện điển hình ở tàu dịch vụ

§2 Định nghĩa và phân loại trạm phát

điện.

2.1 Định nghĩa :

Định nghĩa : trạm phát điện là hệ thống năng lượng điệnlàm nhiệm vụ cung cấp, truyền tải, phân phối năng lượng từ lưới đến các phụ tải Một trạm phát tối thiểu phải bao gồm các phần sau :

- Nơi tạo ra nguồn điện : Các máy phát xoay chiều, các máy phát một chiều hoặc các acquy( nguồn điện sự cố )

- Nơi phân phối điện năng : hệ thống bảng điện chính, hệ thống dây dẫn, các thiết bị đo và kiểm tra

- Các phụ tải : chủ yếu là các motor điện và các thiết

bị sử dụng năng lượng điện

2.2 Phân loại trạm phát:

a.Phân loại theo động cơ lai

- Trạm phát diesel: có động cơ lai là diesel

- Trạm phát turbin: có động cơ lai là turbin

- Trạm phát hỗn hợp: có động cơ lai là diesel và turbinTrên một số tàu sử dụng thêm một số máy phát đồngtrục được lai bởi động cơ diesel lai chân vịt

a) Diesel lai máy phát

b) Turbin lai máy phát

c) Hỗn hợpHình 1.3 Sơ đồ trạm phát điện tàu thủy

b Phân loại theo dòng điện

- Trạm phát một chiều: các máy phát là máy phátmột chiều

- Trạm phát xoay chiều: các máy phát là máy phátđiện xoay chiều đồng bộ 3 pha

Hình 10.2 Sơ đồ trạm phát điện tàu thủy:

a) Máy phát điện một chiều; b) Máy phát điện xoay chiều

c.Phân loại theo chức năng

- Trạm phát điện chính: trạm phát hoạt động thườngxuyên, đảm bảo cung cấp đủ nguồn điện năng cho mọichế độ hoạt động của tàu

Trạm phát điện sự cố: trạm phát hoạt động ở chế độ sự cố khi vì một nguyên nhân nào đó mà trạm phát chính không hoạt động được Trạm phát điện sự cố chỉ có 1 máy phát có công suất nhỏ đủ cung cấp điện cho các thiết bị quan trọng trong trường hợp sự cố như các thiết bị vô tuyến điện, hệ thống chiếu sáng sự cố, hệ thống phát tín hiệu, …Máy phát sự cố thường đặt cao hơn mặt boong chính đề

phòng trường hợp sự cố nước ngập buồng máy Công suất máy phát sự cố thường từ 20kVA đến 200KVA

§3 Các thông số cơ bản của trạm phát điện tàu

thủy.

3.1 Loại dòng điện:

Cơ sở để chọn là các tải của nó( tải chủ yếu là

động cơ), xu hướng hiện nay là dùng trạm xoay chiều Nhữngthiết bị dùng điện một chiều thì qua bộ biến đổi

Sở dĩ hay dùng điện xoay chiều vì những lý do sau đây:

- Độ tin cậy cao, chế tạo dễ, ít hỏng hóc

- Chi phí bảo dưỡng rẻ hơn rất nhiều so với một chiều

- Mức độ phức tạp khi quấn dây xoay chiều dễ hơn mộtchiều

- Trọng lượng và kích thước bé( riêng máy fát xoaychiều lớn hơn một chiều)

- Thay đổi tốc độ đối với động cơ xoay chiều khó hơnmột chiều( ngày nay đã có những bộ biến đổi tần số đểđiều chỉnh láng động cơ xoay chiều)

n ~ = 60f/p = n (1-s) chỉ thay đổi tốc độ từngcấp

 : Từ thông cuộn kích từ nối tiếp

C , C : Hệ số phụ thuộc máy điện

- Cáp dẫn điện : Động cơ xoay chiều và một chiềutương đương Trong thực tế cáp một chiều nhỏ hơn xoaychiều Nhưng bên xoay chiều có khả năng tăng áp dễ hơnnên có thể giảm dòng

- Về thiết bị khởi động: Bên xoay chiều nhỏ hơn mộtchiều

- Công tắc tơ, rele : Công tắc tơ một chiều tin cậy hơnxoay chiều, nhưng kích

thước xoay chiều nhỏ hơn một chiều vì thiết bị dập hồquang bé hơn

3.2 Cấp điện áp:

Theo quy định của Đăng kiểm Việt nam có các cấp điện

áp sau:

Áp xoay chiều : 12v, 24v, 36v, 127v, 220v, 380v,440v, 600v.

Áp một chiều : 12v, 24v, 36v, 110v, 220v

- 12v : dùng cho nơi ẩm ướt

- 24v : dùng cho nơi có độ ẩm cao

- 110v, 220v : dùng cho mạch ánh sáng, độnglực

- 380v, 440v : dùng cho mạch động lực

- 600v : Dùng cho thiết bị chuyên dùng ( chânvịt điện)

3.3 Tần số của trạm phát :

Thường chọn theo tiêu chuẩn nhà nước chế tạo ra trạm

fát đó: Xu hướng là tăng tần số Khi f tăng  n tăng  Mgiảm( P = const )  d ( đường kính rotor) giảm  giảm được kíchthước trọng lượng máy điện nhưng kéo theo đó là một sốvấn đề vềbạc đỡ và ổ bi

Tầu Nhật, tầu Châu Âu: 60hz Tầu các nước XHCN: 50hz

3.4 Công suất trạm phát :

Thông thường thì công suất của một trạm phát cụ thể dưới tàu thủy thì phụ thuộc vào tổng công suất của thiết

bị được trang bị trên tàu Việc bố trí cũng như số lượng và công suất của mỗi máy phát phải đảm bảo các yêu cầu sau :

- Trạm phát phải cung cấp đủ công suất cho các phụ tải hoạt động trong mọi chế độ hoạt động của tàu

- Bắt buộc phải có trạm phát điện sự cố và được đặt trên mớn nước của tàu trên boong hở và đảm bảo cấp nguồn cho một số tải quan trọng trên tàu theo quy định của đăng kiểm

§4 MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ CÁC ĐẶC TÍNH

CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ.

4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy

phát đồng bộ : thường có hai loại là máy phát cực ẩn và máy phát cực hiện

4.1.1 Cấu tạo : thường có hai phần là stator và rotor a- Stator

1- Mạch từ :

Là loiõ thép kỹ thuật điện

có độ dày từ 0,3-0,5 mm dập hình

vành khăn xẻ rãnh trong, các lá thép

kỹ thuật điện ghép các điện để giảm

dòng Fuco

2- Vỏ máy: thường bằng thép đúc

hoặc gang, các máy phát điện công

suất nhỏ hai phía có nắp máy, các

máy phát điện công suất lớn các nắp

thường không chịu lực ổ đỡ, mà một

phía gắn cứng với động cơ sơ cấp,

phía bên kia đặt trên ổ đỡ gắn với vỏ

satxi

3-Các cuộn dây cuộn dây ba pha (hoặc 1 pha) lấy điện

ra gọi là cuộn dây phần ứng Chế tạo từ dây đồng hoặchợp kim có độ dẫn điện cao, chịu được nhiệt độ, bên trêntráng một lớp emay, men cách điện, tơ sợi tổng hợp, hoặcsợi thuỷ tinh, mục đích làm cách điện giữa các dây trongcuộn dây, dây được quấn trong các rãnh theo quy luậtnhất định, số đầu dây ra của cuộn 3 pha có thể là 3, 69… tùy theo hãng chế tạo Các đầu dây được đặt tronghộp kín nước, có trụ nối để nối với mạch ngòai Giữa lõi

cực từ và cuộn dây điện từ lót một lớp các điện bằnggiấy cách điện, mica cách điện, đặc điểm của lớp biàhay mica là dai, dẻo, chịu được độ ẩ và điều kiện môitrường, có tuổi thọ cao thông thường thì phần cách điệnnày phải chịu được nhiệt độ làm việc từ 135-180 độ C.Phần này lấy điện ra được gọi là phần ứng, gồm có 3cuộn dây, các cuộn dây điện từ này đặt lệch nhau 120độ điện, người ta quấn các cuộn dây thành 3 pha đốixứng và có số cặp cực tùy thuộc vào tốc độ của động

cơ lai để có tần số phù hợp, Toàn bộ phần ứng đượcđặt trong vỏ máy theo thiết kế có khe hở thóang thoángđể có thể giải nhiệt dễ dàng

Hình 4.1 Cấu tạo stator của máy phát đồng bộ.

b Rotor: Là phần kích từ có cấu tạo gồm mạch từ và cuộn

một chiều gọi là dòng kích từ, các cuộn dây kích từ được nối theo quy luật để hình thành các cực nam châm xen kẽ nhau, có thể nối song song hoặc nối tiếp các cuộn dây cực từ

Trên phần mỏm cực của rotor có thể có các thanh dẫn kim loại luồn theo dọc các

cực từ và được hàn hai phía theo kiểu lồng sóc đó là lồng ổn định (chống dao động máy khi tải thay đổi)

hình 4.2 cấu tạo rotor của máy phát đồng bộ.

c Các chi tiết của máy phát đồng bộ:

- Vành trượt - hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt

ở đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ bên ngòai,(cần lưu ý

rằng các máy phát điện không chổi thankhông có chi tiết này-xem máy phát

điện không chổi than)

- Máy phát điện tàu thủy thường được làm mát bằng

không khí nhờ hệ thống quạt

làm mát gắn hai đầu trục máy và kết cấu thông gió trong thân máy Quạt gió

được bố trí phía không có vành trượt – chổi than

- Khe khí giữa rotor, stator thường từ 5 –15mm tuỳ theo công suất

4.1.2 Nguyên lý hoạt động :

Khi cuộn dây kích từ được cấp dòng điện một chiều DCthì rotor trở thành một

nam châm điện và hình thành các cực từ N-S xen kẽ þ,

Độ lớn þ tỷ lệ với giá trị của dòng điện kích thích (þ

=K.Ikt ) [1-1]

Nếu rotor được quay bởi động cơ sơ cấp thì từ trường naỳ sẽ là từ trường quay so

với Stator và có tốc độ là n, Từ trường này sẽ quét qua mặt phẳng các cuộn dây 3 pha

là suất hiện trong cuộn dây 3 pha một sức điện động có giá trị tức thời được tính theo

công thức:

[1-2]

k- là hệ số cấu tạo có liên quan tới kích thước dây quấn

kq – là hệ số quấn dây máy phát

w- Là số vòng dây của cuộn dây máy phát

- Là tốc độ góc của rôtor [1-3]

f- Là tần số của s.đ.đ được hình thành : [1-24]

Nếu viết dưới dạng hiệu dụng thì :

Hình 4.3 a) Máy phát đồng bộ ba pha hai cực đơn giản;b) Biểu diễn đơn giản máy phát đồng bộ; c) đấu Y; d) đấu .

4.2 Các đặc tính của máy phát đồng bộ :

Khi nghiên cứu máy điện xoay chiều có các đặc tính sau:

1 Đặc tính không tải U = E = f (Ikt) Khi It = 0,

Đặc tính ngoài U = f (I ) Khi I kt = cont, f = cont cos = cont

U

Tải điện dung

Tải điện cảm

I t

§5 Oån định điện áp cho các máy phát điện đồng bộ.

5.1 Khái niệm chung:

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

Mọi nguyên nhân gây ra sai lệch về điện áp quá giới hạncho phép đều gây ra những thiệt hại, hư hỏng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị và có thể gây thiệt hại lớn cho cả hệ thống và gây nguy hiểm cho con người Có rất nhiều nguyên nhân gây ra sự dao động điện áp như tốc độ động

cơ lai, tính chất tải thay đổi, mức tải thay đổi, nhiệt độ… Vậy để hạn chế thiệt hại do sự dao động điện áp thì cần phải trang bị hệ thống tự động ổn định điện áp cho các máy phát đồng bộ ba pha

5.2 Những quy 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

a- Mỗi tổ máy phát điện đều phải trang bị một bộ tựđộng điều chỉnh điện áp riêng để:Khi thay đổi tải tĩnh tư 0-Iđm, với giá trị cosđm và tốc độ quay nằm trong giới hạn saisố 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%

b- Các bộ tự động điều chỉnh điện áp phải có khảnăng cường kích kích từ để : Khi thay đổi tải đột ngột đóng50% tải, ngắt đột ngột 100% tải với giá trị cos = 0,6 –0,9 thìđiện áp máy phát không dao động quá +15% và giảm quá–20%, trong thời gián 1,5 giây điện áp máy phát phải vềổn định với độ chính xác  2,5% , với cos = 0,3 –0,4, độ chínhxác là  2,5% Các bộ điều chỉnh điện áp phải có thiết bịđảm bảo sự phân chia tải phản tác dụng giữa các máy khilàm việc song song không chênh lệch quá  10%

c- Mỗi tổ máy phát điện đều phải trang bị một bộ tựđộng điều chỉnh tần số riêng

d- Khi thay đổi tải tĩnh tư 0-Pđm, giá tốc độ quay thay đổinằm trong giới hạn sai số 5%,

- Khi chị tải đột ngốt 50% và ngắt tải đột ngột 100%, tốcđộ động cơ không được giảm quá 15% và sau 5 giây phảivề ổn định trong phạm vi cho phép sai số so với  5%

- Các bộ điều chỉnh tần số và động cơ sơ cấp phảiđảm bảo sự phân chia tải tác dụng giữa các máy phát khi

làm việc song song với độ chênh lệch không chênh lệchquá  10%

Do vậy trên tầu cần thiết phải có bộ tự động điều chỉnhđiện áp.

Với bộ tự động điều chỉnh điện áp có quy định:

- Dòng ngắn mạch ổn định chỉ bằng 3Iđm ( )

- Có thể chịu quá tải I= 1.5.Iđm trong vòng 2 phút

- Khi công tác song song phân phối tải vô công vàhữu công không quá 10 

5.3 Các nguyên nhân gây dao động điện áp máy phát ;

* Do dòng tải thay đổi ( khi thay đổi tải)

* Do tính chất tải thay đổi( đối máy fát điện xoay chiều)

Khi dòng tải thay đổi, điện áp cũng thay đổi theo, do đóphải thay đổi dòng kích từ để giữ điện áp không đổi Đốimáy fát xoay chiều, với cùng dòng tải, tính chất tải thayđổi cũng làm điện áp thay đổi( đối tải thuần dung khi tăngtải đến lúc nào đó thì điện áp cũng giảm)

* Do nhiệt độ trong cuộn dây máy fát thay đổi: Khi nhiệt độcủa cuộn dây thay đổi làm cho điện trở của cuộn dây thayđổi, dẫn tới sụt áp trên cuộn dây cũng thay đổi( cuộn dâyphần ứng và cuộn dây kích từ) , dẫn tới điện áp máyphát cũng thay đổi

* Do tốc độ động cơ lai thay đổi: khi tốc độ động cơ lai thaydổi làm suất điện động của phần ứng thay đổi, do đó điệnáp ra cũng bị thay đổi

* Do các bộ tự động điều chỉnh làm việc không ổn định Khi bộ điều chỉnh điện áp hoặc bộ điều chỉnh tần số

làm việc không ổn định sẽ xảy ra hiện tượng điện áp dao động

* Do ngắn mạch ở các vị trí khác nhau trong mạng điện

Dòng điện ngắn mạch sẽ gây sụt áp trên mạng, giá trị độgiảm điện áp phụ thuộc vị trí của điểm ngắn mạch

Ngoài các yếu tố cơ bản trên đây, cũng còn một sốnguyên nhân phụ khác gây nên sự thay đổi điện áp: Tínhchất mạch từ thay đổi, điện trở tiếp xúc tăng lên, hư hỏngtrong máy phát hoặc bộ điều chỉnh…

§6 KÍCH TỪ CHO MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ.

6.1 Thế nào là kích từ máy phát

Hai thành phần cơ bản tạo ra sức điện động trong mộtmáy phát là tốc độ quay và từ trường Các cuộn dây kíchtừ trên rotor tạo nên các cực từ mạnh khi dòng điện mộtchiều đi qua chúng

Khi rotor của máy phát quay, từ dư trong lõi thép rotor quétlên các thanh dẫn stator, trong các cuộn dây stator xuất hiệncác sức điện động cảm ứng Nếu sức điện động này đượcchỉnh lưu đưa trở lại cuộn kích từ (rotor) máy phát thì từtrường trong rotor sẽ tăng lên, và sức điện động stator cũng

vì đó mà tăng lên, … quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khiđiện áp trên các cuộn dây stator đạt giá trị định mức Quátrình này được gọi là quá trình tự kích Quá trình tự kích làquá trình kích từ xảy ra chủ yếu trên các máy phát tàuthủy

Có các phương pháp khác nhau để cung cấp trực tiếpdòng kích từ một chiều cần thiết để tạo ra điện áp yêucầu của máy phát Kích từ phải được điều khiển liên tụcđể duy trì điện áp ra máy phát khi tải thay đổi

6.2 Các phương pháp kích từ

a/ Máy phát kích từ gián tiếp (thông qua máy phát kích từ) Phương pháp sử dụng máy phát kích từ một chiều Phương

pháp này sử dụng một máy phát kích từ một chiều nối đồng trục với máy phát chính

Hình 6.1 Kích từ bằng máy phát kích từ một chiều

Điện áp ra của máy kích từ được cấp vào cuộn dây rotor máy phát chính qua vành trượt và chổi than.

Máy phát không chổi than: phương pháp này tăng độ tin

cậy và giảm đáng kể công tác bảo dưỡng máy phát.Việc chỉnh lưu điện áp kích từ xoay chiều được thực hiện nhờcác diod gắn cố định trên trục máy Phần tử varistor Vr nốisong song với cuộn dây kích từ của máy phát chính có chứcnăng bảo vệ các diod quá điện áp ngược khi có sự thay đổiđột ngột của dòng kích từ Khi xuất hiện điện áp ngượclớn, Vr bị đánh thủng bảo vệ cho các diod không bị quá áp

Hình 6.2 Máy phát không chổi than

b/ Máy phát kích từ trực tiếp

Đáp ứng điện áp của máy phát có thể được cải thiệnbằng cách sử dụng phương pháp kích từ không có máyphát kích từ Trong phương pháp này, kích từ máy phát đượclấy từ dòng điện của máy phát qua một biến áp và bộchỉnh lưu Thiết bị kích từ này có thể đặt trong vỏ bảo vệ

máy phát hoặc đặt trong bảng điện chính Loại máy phátnày có 2 vành trượt và chổi than để nối thiết bị kích từđến cuộn dây kích từ Thời gian đáp ứng giảm còn 0.1 giâyđể hiệu chỉnh 15% điện áp.

Trên các tàu hàng thì đáp ứng điện áp nhanh rất cầnthiết do có các phụ tải công suất lớn và khởi độngthường xuyên như cần cẩu, tời hàng

Sơ đồ cơ bản của máy phát này được vẽ trên hình 6.3(vẽ đơn giản cho một pha)

Hình 6.3 Máy phát kích từ trực tiếp

Bộ tự động điều chỉnh điện áp được vẽ ở hình 6.3 đượcgọi là loại phức hợp, vì dòng kích từ được cấp từ 2 nguồndòng và áp

Khi không tải, kích từ máy phát được cấp qua cuộn áp sơcấp 1 của biếp áp kích từ Khi có tải, dòng máy phát cấpqua cuộn dòng sơ cấp 2 của biếp áp để duy trì điện ápkhông đổi Nếu các phần tử của bộ kích từ này được thiếtkế cẩn thận thì điện áp của máy phát phức hợp có thểđược duy trì tốt khi đầy tải mà không cần sử dụng bộ tựđộng điều chỉnh điện áp AVR hoặc chỉnh tay Tuy nhiên cácnhà sản xuất máy phát luôn chế tạo kèm theo bộ AVR vàmột chiết áp chỉnh tay Điều này cho phép việc điều chỉnhđiện áp máy phát tốt hơn trên toàn bộ sự thay đổi củatải và đặc biệt trong các tình huống có thao tác vận hànhkhác (ví dụ khi hòa các máy phát)

Một sơ đồ kích từ thực tế có thêm các phần tử như cáccuộn cảm và các tụ điện được minh họa ở hình 6.4 Mạchnày không có AVR và chiết áp chỉnh tay Một sự thay đổicủa dòng tải sẽ tự động thay đổi dòng kích từ để điện ápmáy phát được duy trì ở giá trị định mức.

Hình 6.4 Mạch kích từ máy phát được sử dụng trong

thực tế

§7 CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

CHO MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ

Dựa vào các nguyên nhân gây ra dao động điện áp của máy phát người ta xây dựng bộ tự động điều chỉnh điện áp theo những nguyên tắc cơ bản sau :

1 Nguyên tắc điều chỉnh theo nhiễu loạn

2 Nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch

3 Nguyên tắc điều chỉnh theo nguyên lí kết hợp

7.1 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo

nguyên tắc nhiễu loạn :

Các nhiễu thường làm thay đổi điện áp máy phát là dòng sự thay đổi dòng tải hay tính chất tải của máy phát Và theo nguyên tắc này thì có những hệ thống tự động điều chỉnh điện áp sau :

a Hệ thống phức hợp dòng :

Dòng điện kích từ cho máy phát điện được hình thành từ hai thành phần : thành

phần tỷ lệ với dòng điện tải và thành phần tỷ lệ với điện áp trên cực máy phát điện đã được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều trước khi cộng với nhau (tổng đại số) Ikt =K(Iu+Ii)

Iu - thành phần dòng do điện áp tạo nên có tác dụng tạonguồn kích từ để có điện áp không tải

Ii - thành phần dòng điện do dòng tải tạo tra là thành phần bù lại sự sụt áp khi tải

ngoài thay đổi làm dòng điện trong máy phát tăng lên Với kết cầu như vậy thì khi tính chất của tải thay đổi (cos

= var) thì giá trị dòng

kích từ không phản ánh được sự thay đổi đó nên dù có điện áp thay đổi thì hệ thống

cũng không phản ứng được Sơ đồ khối hệ thống phức hợp dòng như hình 7.1:

Do phụ tải tầu thuỷ không những thay đổi liên tực về giá trị, mà còn thay đổi cả

tính chất tải nên hệ thống phức hợp dòng không đáp ứng được tự động ổn định điện áp với nhiễu cơ bản

Nhược điểm như vậy nên hệ thống phức hợp dòng ít đượcxử dụng riêng rẽ cho các máy phát, mà muốn sử dụng người ta phải thực hiện kết hợp với nguyên tắc điều

chỉnh theo độ lệch

U- điện áp của máy phát

BA- Biến áp 440V/…V

Bd – Biến dòng I/…A

Ii – Thành phần xoay chiều dòng

Iu – Thành phần điện áp xoay chiều

Ikt – Dòng điện kích từ một chiều

CL1 Chỉnh lưu thành phần dòng điện

Cl2 Chỉnh lưu thành phần điện áp

b Hệ thống phức hợp pha :

Hệ thống phức hợp pha là hệ thống mà tín hiệu phản hồi dòng điện và tín hiệu điện áp phản hồi được cộng lại

ở phía xoay chiều và sau đó đưa đến chỉnh lưu và đưa đến kích từ Có hai loại là phức hợp pha song song và phức hợp pha nối tiếp

- Phức hợp pha nối tiếp có thành phần dòng điện và điện áp được cộng nối tiếp với nhau trước khi đưa qua chỉnh lưu để cung cấp dòng kích từ cho máy phát

- Phức hợp pha song song có thành phần dòng điện và điện áp được cộng song song với nhau trước khi đưa qua chỉnh lưu để cung cấp dòng kích từ cho máy phát

Hình 7.2 Sơ đồ nguyên lí hệ thống phức hợp pha.

a Phức hợp pha song song b Phức hợp pha nối tiếp

Hình 7.3 Giản đồ vector của hệ thống phức hợp pha

a Khi dòng tải thay đổi b Khi tính chất tải thay đổi

Ưu điểm : hệ thống có cấu trúc đơn giản, tuổi thọ cao, độ bền và độ tin cậy cao Có khả năng cường kích lớn và tính ổn định tốt hơn nên nó phù hợp cho tàu thủy

Nhược điểm : độ chính xác thấp, hệ thống thường có cấutạo cồng kềnh và khả năng tự kích ban đầu chưa cao

7.2 Hệ thống tự động ổn định điện áp theo độ lệch :

Hình 7.4 Sơ đồ nguyên lí của tự động điều chỉnh điện áp theo độ lệch

Nguyên lí làm việc :

Đại lượng điện áp U của máy phát điện được gọi là đại lượng được điều chỉnh ,

đại lượng này bị thay đổi khi có những tác động bên

ngoài N vào máy phát điện, ví dụ thay đổi tải, thay đổi điện trở, phân phối không đều vv…

Giá trị của Uo – đại lượng cho trước là giá trị mong muốn của điện áp cần đạt

được thường là các chiết áp trên đó có thang chia và kim chỉ thị khi ta muốn đặc giá trị điện áp ban dầu cho máy phát

Điện áp máy phát qua bộ đo điện áp (là phản hồi chính của điều khiển) chuyển

thành giá trị Uf = k.U được đưa về so sánh với giá trị Uo ∆U = U -U0

Ưu điểm : hệ thống có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ,độ chính xác cao, dễ dàng cho việc tự kích ban đầu

Nhược điểm : hệ thống rất kém ổn định

7.3 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo

nguyên lí kết hợp :

Để khắc phục khuyết điểm và tận dụng nhưng ưu điểm của các nguyên lý điều

chỉnh trên ta xây dựng hệ thống nguyên lý kết hợp vừa theo độ lệch vừa theo nhiễu

Ơû hệ thống điều khiển theo nguyên lý kết hợp thì phầnphức hợp đóng vai trò chính ( Điều khiển theo nhiễu ) còn độlệch đóng vai trò nâng cao độ chính xác

F

SS

F

KĐ

7.5 Một số hệ thống tự động ổn định điện áp trong thực tế :

a Hệ thống phức hợp pha song song của hãng still ( Đức )

Hệ thống kết hợp

phức hợp pha song

song và độ lệch

Hệ thống kết hợp phức hợp pha nối tiếp và độ lệch

b Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý phức hợp pha nối tiếp của hãng rade koncar

c Sơ đồ theo nguyên lý kết hợp ( kèm bãn vẽ sau avan kick )

Giới thiệu chức năng phần tử.

G : Máy phát không chổi than

TP : Biến dòng

L : Cuộn cảm lấy tín hiệu áp

TN1 : Biến áp ba pha lấy tín hiệu độ lệch

Tn : Biến áp hai pha cấp nguồn cho bộ AVR

P4, P3, P2 : Các bộ cầu chỉnh lưu

PP : biến dòng để lấy tín hiệu điều chỉnh phân bố tảivô công

F

P TK

TP

G

Xt

R11, C3 : Phản hồi âm mềm vi phân điện áp.

Và một số phần tử khác sẽ trình bày trong phần nguyênlý hoạt động

I1, K1 : Cuộn kích từ

Nguyên lý hoạt động.

Tín hiệu phản hồi dòng và áp lấy qua biến dòng TP vàcuộn cảm L đưa tới cầu chỉnh lưu P2

Điện áp 3 pha lấy qua biến áp TN1 tới cầu chỉnh lưu P3đưa điện áp ra so sánh với điện áp chuẩn đặt trên điodZener DZ để đưa tới tầng khuếch đại trung gian ( T3, T4, T5 ).Tínhiệu ra đưa đi điều khiển Transistor T2 ( Tín hiệu độ lệch )

Nếu vì một nguyên nhân nào đó điện áp của máy phátthay đổi thì tín hiệu điều khiển khoá hoặc mở bớt T2 để thayđổi dòng kích từ qua I1K1 qua đó thay đổi điện áp của máyphát làm ổn định dần điện áp của máy phát Đến khiđiện áp của máy phát đạt giá trị định mức thì quá trình đódừng lại

Quá trình tự kích ban đầu hoàn toàn phụ thuộc vào từ dư,nhờ phản hồi điện áp trong mạch mà từ dư được tăng dầnlên đến khi đạt giá trị định mức một cách nhanh chóng vàdễ dàng

Hệ thống có độ ổn định cao, hệ thống máy phát khôngchổi than hạn chế được rất nhiều hư hỏng ( do chổi thanthường gây ra )

Hệ thống gọn nhẹ, kết cấu vững chắc, có độ điều chỉnhrộng và được lắp đặt rất nhiều trên các tàu do Balan sảnxuất

§8 CÔNG TÁC SONG SONG CỦA CÁC

MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ.

8.1 Ý nghĩa, nguyên nhân các máy phát làm việc song song :

Trên tầu thuỷ công suất tiêu thụ điện lớn so với côngsuất trạm phát, tải toàn tầu không ổn định (phụ thuộctừng chế độ làm việc của tầu ) Mặt khác để nâng cao độtin cậy của trạm phát thường bố trí ít nhất hai trạm phátđiện để tăng tính kinh tế khi khai thác năng lượng điện Dovậy trên tầu thuỷ thường thường các máy phát phải làmviệc song song

Khi các máy fát điện làm việc song song :

- Sẽ đảm bảo cung cấp năng lượng điện cho mọi chế độhoạt động của tầu, có thể ngắt một hay một số máy khi íttải

- Có khả năng khởi động được các động cơ dị bộ có côngsuất lớn so với công suất của máy phát

- Có khả năng phục hồi điện áp nhanh

- Khi chuyển từ máy này sang máy kia không sẩy ra hiệntượng ngắt điện ( Nguồn trên thanh cái lúc nào cũng cóđiện)

- Giảm được trọng lượng của các thiết bị phân phối

Yêu cầu của các máy phát khi làm việc song song :

- Cung cấp đầy đủ năng lượng điện cho mọi chế độ hoạtđộng của tầu

- Các máy phát phải làm việc ổn định với phạm vi thay đổitải lớn

- Quá trình phân phối tải giữa các máy phát phải đều nhau

- Giá trị dòng cân bằng phải bé nhất (lý tưởng bằngkhông)

I = ( đối máy fát xoay chiều , coi r = 0 )

8.2 Các phương pháp kiểm tra điều kiện hòa đồng bộ chính xác :

a) Điều kiện hòa đồng bộ các máy phát

Điều kiện để hòa đồng bộ là điện áp tức thời của

máy phát bằng điện áp tức thời của lưới Giả

sử điện áp tức thời của thanh cái là:

và điện áp tức thời của máy phát định hòa là:

Điều kiện hòa yêu cầu

nhau

Thông thường các máy phát được lắp đặt và thửnghiệm ở nhà máy nên điều kiện thứ tự pha luôn thỏamãn, nếu các bộ tự động điều chỉnh điện áp hoạtđộng bình thường thì điện áp cực đại hay điện áp hiệudụng các máy cũng bằng nhau Do đó chúng ta chỉ quan

tâm 2 thông số là tần số và góc pha đầu Điều chỉnh

tần số có thể được thực hiện dễ dàng thông qua việcđiều khiển động cơ servo gắn trên bộ điều tốc Điềukiện về góc pha đầu được phát hiện nhờ các phươngpháp hòa đồng bộ chính xác

b) Các phương pháp hòa đồng bộ máy phát.

Có 2 phương pháp hòa đồng bộ:

- Hòa đồng bộ thô: đóng máy phát vào lưới khi cácđiều kiện về điện áp và tần số thỏa mãn,bỏ quađiều kiện góc pha đầu Để hạn chế dòng điện tăng khiđóng máy phát vào lưới, người ta sử dụng cuộn khángbão hòa

- Hòa đồng bộ chính xác: có các phương pháp đèn tắt,đèn quay, đồng bộ kế, bộ hòa tự động

Phương pháp đèn tắt:

Hình 8.1 Sơ đồ đấu đèn và giản đồ vector của phương pháp đèn

tắt

Quan sát cường độ sáng và tốc độ sáng tối của đèn ta

nhận thấy rằng hai đèn cùng sáng tối và tần số chênh

lệnh càng nhiều thì tốc độ sáng – tối của các đèn càng

cao Góc pha đầu chênh lệch càng nhiều thì đèn càng sáng

Thời điểm đóng máy phát vào lưới khi tốc độ sáng tối

của các đèn chậm và các đèn gần tắt hẳn

Phương pháp đèn quay:

Phương pháp đèn quay có ưu điểm hơn phương pháp đèn

tắt là giúp ta xác định được tần số của máy phát lớn hơn

hay nhỏ hơn tần số lưới dựa vào chiều quay của đèn Khi

đèn quay thuận chiều kim đồng hồ thì tần số máy phát lớn

hơn tần số lưới và ngược lại Thời điểm đóng máy phát

vào lưới khi đèn quay thuận chiều kim đồng hồ và hai đèn

bên sáng cực đại còn đèn giữa tắt

Hình 8.2 Sơ đồ hòa đồng bộ chính xác với phương pháp đèn

quay

Phương pháp đồng bộ kế:

Đồng bộ kế thực chất là một máy điện đặc biệt có sơ đồnguyên lý như hình vẽ Stator có cuộn dây 2 pha được nối vớilưới, rotor có 2 cuộn dây 2 pha nối với máy phát Trục rotorđược gắn một kim chỉ thị Tần số giữa điện áp máy phátvà điện áp lưới chênh lệch càng lớn thì kim đồng bộ kếquay càng nhanh

Khi tần số của điện áp máy phát lớn hơn tần số củađiện áp lưới, f1 > f2 , thì kim đồng bộ kế quay thuận chiều kimđồng hồ và ngược lại Khi kim đồng bộ kế qua điểm 0 chỉ thịthì góc pha đầu của điện áp máy phát và điện áp lướibằng nhau Do đó thời điểm đóng máy phát vào lưới khi kimđồng bộ kế quay chậm theo chiều kim đồng hồ và sắp quađiểm 0 chỉ thị

Hình 8.3 Sơ đồ hòa đồng bộ chính xác với phương pháp

đồng bộ kế

Phương pháp hòa đồng bộ tự động:

Quá trình hòa xảy ra hoàn toàn tự động Người vận hànhchỉ cần chuyển công tắc chọn máy phát cần hòa(Generator Selector), chuyển công tắc chọn chế độ hòa (ModeSelector) từ “tay” (Man) sang “tự động” (Auto)

Hình 8.4 Sơ đồ hòa đồng bộ chính xác với phương pháp

công thì thiết bị hòa phải được ngắt ra Tổng phụ tải

trên thanh cái bây giờ được chia đều cho các máy phát khicác máy công tác song song hoặc chuyển tất cả sang máyphát mới nếu đổi máy phát Khi hoạt động song song, bộđiều tốc sẽ điều khiển trực tiếp công suất tác dụng (kW)còn bộ AVR sẽ điều khiển công suất phản tác dụng (kVAr)hoặc cos