CƠ sở lý THUYẾT về điều CHỈNH điện áp CHO các máy PHÁT điện trên tàu 22500t

Tại sao cần phải ổn định điện áp cho các máy phát điện.Tất cả những thiết bị điện là phụ tải cảu máy phát điện , các khí cụ, các trangthiết bị điện trong các hệ thống năng lượng điện nói

PHẦN MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ TÀU 22500t

Tàu 22500T là tàu có trọng tải lớn được đóng mới tại nhà máy đóng tàuBạch Đằng Hiện nay nhà máy đã đóng và bàn giao được 3 con tàu cùng serialnhư tàu Golden Falcol , tàu được thiết kế với các hệ thống và trang thiết bịhiện đại, thuận tiện, dễ dàng đối với người vận hành

1 Kích thước chính của tàu:

Chiều cao boongchinhs (tại đường tâm)

- Từ boong chính - boong dân lái 5 : 3.00 m

- Từ boong dâng lái chính - boong dâng lái 5, mỗi boong : 2.80 m

- Từ boong dân lái 5 - đỉnh cabin (buồng lái) : 3.00 m

độ chân vịt 118 vòng/ phút ≈ 7780 KW.

5 Tiêu hao nhiên liệu và tầm hoạt động

Lượng dầu nặng F.O tiêu hao hàng ngày trên máy chính tại 82% vòngquay tối đa liên tục, công suất 7780 KW và chân vịt đạt 118 vòng/ phút ≈ 31.2tấn

Lượng tiêu hao dầu nặng FO được tính dự trên các điều kiện ISO

Tiêu hao nhiên liệu hàng ngày của máy móc phụ ≈ 2.4 tấn

Tổng lượng HFO tiêu hao hàng ngày ≈ 33.6 tấn

Lượng tiêu hao được tính dựa trên điều kiện chạy dầu HFO, độ nhớt 380CST tại 500C và giá trị hâm 42.700 kJ/kg, mớn nước mẫu thử và 15% dung saikhai thác

Thông số trên được xác nhận sau khi thử két mô hình

3.1.1 Tại sao cần phải ổn định điện áp cho các máy phát điện.

Tất cả những thiết bị điện là phụ tải cảu máy phát điện , các khí cụ, các trangthiết bị điện trong các hệ thống năng lượng điện nói chung đều được chế tạo

để công tác với một điện áp nhất định ta gọi đó là điện áp định mức (Uđm) Từgóc độ kinh tế, kỹ thuật, chất lượng khai thác … Khi công tác với điện áp ổnđịnh bằng điện áp định mức, các trang thiết bị sẽ công tác ở trạng thái tốt nhất,tin cậy nhất và có tuổi thọ dài nhất , đem lại hiệu quả kinh tế nhất Chính vìvậy, mọi sự sai lệch (tăng lên hoặc nhỏ đi ) quá giới hạn cho phép của điện

áp đều gây ra sự cộng tác không ổn định, không tin cậy của các thiết bị Ví dụ: Đối với động cơ điện sẽ ảnh hưởng đến tốc độ , mômen … từ đó ảnh hưởngtới tuổi thọ , chất lượng công tác và hiệu quả của công việc Các khí cụ điệnkhi công tác ở điện áp cao hơn định mức dễ bị cháy vì quá áp, còn khi côngtác ở điện áp nhỏ hơn định mức sẽ hút không ổn định Các thiệt bị chiếu sáng

khi phải công tác ở điện áp U> Uđm sẽ dễ bị cháy , tuổi thọ ngắn , còn khi phải

công tác ở điện áp U< Uđm thì ánh sáng tối đi nhiều…

Do vậy , vấn đề ổn định điện áp cho máy phát là vấn đề rất quan trọng vàkhông thể thiếu được trong các trạm phát điện Đặc biệt là trong các trạm phátđiện tàu thủy

3.1.2 Các quy định của đăng kiểm về ổn định điện áp cho các máy phát điện tàu thủy

Xuất phát từ tầm quan trọng của vấn đề ổn định điện áp, nên Đăng kiểm cácnước có quy định rất chặt chẽ và cụ thể cho các hệ thống tự động điều chỉnhđiện áp Theo quy định của đăng kiểm Việt Nam

a Ở chế độ tĩnh

Các máy phát có khả năg ổn định được điện áp trong khoảng (±3%)Uđm

(ΔU≤±3% Uđm) đối với các máy phát có công tác song song Đối với các máy

phát công tác độc lập là (ΔU≤±4% Uđm) Khi máy phát nhận và cắt tải từ 0 đến

Pđm; cosφ=cosφđm Nếu hệ số cosφ thay đổi từ 0,6 ÷0,9 thì dao động điện áp

nằm trong khoảng ±3,5Uđm Thời gian quá độ của trạng thái nhận tải tĩnh tqd

=1,5s

b Ở chế độ động

Khi nhận hoặc cắt tải đột ngột 3 pha đối xứng tới 60%P đmvới tần số định mứcvới cosφ >0,4 thì yêu cầu điện áp không được sụt áp quá 15% (tức làΔU≤15%) và khi nhận tải không được vượt quá 20% tức (ΔU≥20%) khi cắtbớt tới 60% tải

Khôi phục điện áp sau 1,5s với sai số ±3%( với máy phát đồng bộ công tácsong song) và sau 5s với sai số ΔU≤4% (với máy phát sự cố công tác độclập) Trong điều kiện tần số của máy phát thay đổi trong phạm vi ±10% với t

qd

=5s

Hình 3.1

* Các yêu cầu khác

- Hệ thống nhiên liệu đủ để cung cấp cho các máy phát công tác liên tục

- Hoạt động tin cậy, chắc chắn, ít hỏng hóc

- Dễ dàng trong quá trình vận hành, khai thác đơn giản và thuận tiện cho việcsửa chữa nhỏ

- Giá thành hạ

3.1.3 Các nguyên nhân gây ra dao động điện áp

a Do dòng tải của máy phát thay đổi (I t)

- Khi dòng tải của máy phát thay đổi (cosφ=const và n=const), It=var thì sẽxảy ra hai trường hợp:

+ Làm cho phản ứng phần ứng của máy phát thay đổi gây ra sự thay đổi từthông trong các cuộn dây phần ứng làm thay đổi điện áp của máy

+ Giáng áp trên điện trở nội của mấy phát thay đổi

Fa↑↓ φth↓ EF ↓

It ↑↓ UF↓↑

∆U↑↓

It: Dòng tải máy phát

∆U: Điện áp rơi trên tổng trở cuộn dây phần ứng

Fa: Sức từ động phản ứng phần ứng

φth: Từ thông tổng hợp trong máy phát

EF : Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây phần ứng

UF : Điện áp trên trụ đấu dây ra của máy phát

b Do tính chất của tải thay đổi ( cosφ).

Nếu I=const, n=const thì khi cosφ=var sẽ làm thay đổi độ khử từ của máy phát

và đẫn đến làm thay đổi điện áp của máy phát

Khi đó: cosϕ↑↓ → Fa ↓↑→φ↑↓ → EF ↑↓→UF↑↓

Fa tăng hoặc giảm phụ thuộc vào mức độ khử từ hay trợ từ của phản ứng phầnứng Fa ở đây là mức độ khử từ không gọi là sức từ động nữa

c Khi tốc độ quay thay đổi.

Nếu cosφ=const, IF=const, n=var thì lúc này sẽ làm cho sức điện động (E)sinh ra trong cuộn dây stator của máy phát bị thay đổi dẫn đến sự thay đổi điện

t0 : Nhiệt cuộn dây

Rư : Điện trở thuần của cuộn dây phần ứng

Rkt: Điện trở thuần của cuộn dây kích từ

I kt: Dòng điện kích từ

* Ngoài ra còn một số nguyên nhân phụ cũng gây ra sự dao động điện áp củamáy phát như: điện trở tiếp xúc của chổi than và vành trượt, cách điện của hệthống thấp

Xuất phát từ thực tế công tác của máy phát đồng bộ trong trạm phát điện luônluôn bị tác động bởi các yếu tố như sự thay đổi dòng tải, sự thay đổi tính chất

của tải, sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ quay không ổn định … Các yếu tố trêntác động làm cho điện áp của máy phát cấp cho các phụ tải không ổn định Vìvậy bất cứ máy phát đồng bộ nào cũng đều được trang bị hệ thống tự độngđiều chỉnh điện áp, các hệ thống tự động điều chỉnh điện áp được chế tạo rấtphong phú và đa dạng Tuy nhiên nếu dựa trên cơ sở tự động điều chỉnh thìcác hệ thống tự động điều chỉnh điện áp đều được xây dựng dựa trên 3 nguyêntắc đó là điều chỉnh theo nhiễu loạn, điều chỉnh theo độ lệch và điều chỉnh kếthợp

3.1.4 Các điều kiện tự kích

- Máy phát phải có từu dư đủ lớn : Edu=(2÷5)%Uđm

- Chiều kích từ trùng với chiều từ dư :

- Có tốc độ quay đạt định mức : n f =nđm , Δn≤5%nđm

- Tổng trở trong mạch kích từ nhỏ hơn điện trở tới hạn: Rkt<Rth

3.2 Các nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh điện áp.

Các hệ thống TĐĐCĐA được chế tạo rất đa dạng và phong phú , tuy nhiênnếu dựa trên cơ sở tự động điều chỉnh thì các hệ thống TĐĐCĐA đều đượcxây dựng dựa trên 3 nguyên tắc đó là :

3.2.1.Hệ thống điều chỉnh điện áp theo nhiễu loạn

3.2.1.1 Hệ thống phức hợp dòng (Bù dòng).

- Định nghĩa : Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý phức hợpdòng là hệ thống có hai tín hiệu : tín hiệu dòng và tín hiệu áp , hai tín hiệu nàyđược cộng lại với nhau ở phía một chiều ( sau chỉnh lưu )

- Với cấu trúc như vậy hệ thống chỉ có thể cảm biến được với sự thay đổi của

độ lớn dòng tải Hệ thống phức hợp dòng chỉ có khả năng giữ được điện ápcủa máy phát do một nguyên nhân là khi cường dộ dòng tải thay đổi Chính vìvậy mà nó ít được sử dụng trong thực tế trên tàu thủy cũng như trên bờ

Hình 3.2 Hệ thống phức hợp dòng.

3.2.1.2 Hệ thống phức hợp pha

- Định nghĩa : Hệ thống phức hợp pha là hệ thống tự động điều chỉnh điện áp

có thể ổn định được điện áp với hai nhiễu chính đó là dòng tải (It) và tính chất

tải (cosφ) Hệ thống phức hợp pha gồm 2 tín hiều chính là tín hiệu áp U f và

tín hiệu dòng It, hai tín hiệu này được cộng với nhau về pha

Hệ thống phức hợp pha có thể chia làm hai loại:

a Hệ thống phức hợp pha song song

- Là hệ thống phức hợp pha mà tín hiệu dòng và tín hiệu áp song song cấp chocuộn kích từ ( tín hiệu dòng và tín hiệu áp được cộng dòng với nhau)

Hình 3.3 Sơ đồ tương đương và sơ đồ nguyên lý của phức hợp pha song song.

Trong đó:

- I t =V t I : Dòng tải máy phát.

- V t : Hệ số truyền đạt của biến dòng

- U : Điện áp của máy phát.

- I CC : Dòng đi qua cuộn cảm của máy phát, nó là tín hiệu áp nhưng được chuyển đổi thành tín hiệu dòng.

- I KT : Dòng kích từ.

- R Z : Điện trở tương đương cuộn kích từ.

Từ sơ đồ tương đương trên ta có:

Uab= + CC   CC + Z 

t

R jX

jX U

I

=> IKT=

Z Z CC

CC t

R R jX

jX U I V

1 1

1

CC t

CC

jX I V jX

b Hệ thống phức hợp pha nối tiếp

- Là hệ thống phức hợp pha có tín hiệu dòng và tín hiệu áp cộng áp nối tiếpvới nhau cấp cho cuộn kích từ ( cộng áp)

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý và sơ dồ tương đương của phức hợp pha nối tiếp

Từ sơ đồ tương đương trên ta có:

t Z

Z t

ab

jX R

R U

I

V

U

1 1

1

+

−

=

.=> Z

t Z

Z t

KT

R

U jX R

R U I V

I

+ +

−

=

1 1

1

t Z

t t

t Z

KT

jX R

jX I V jX

Từ hai biểu thức (1) và (2) của hệ thống phức hợp pha song song và phức hợp

pha nối tiếp ta thấy chức năng của cuộn cảm XCC trong sơ đồ Hình 3.3 được thay thế bằng trở kháng Xt trong sơ đồ Hình 3.4 là không thể thiếu được nó

tạo ra tín hiệu Iu lệch pha so với U f một góc 90

0

Từ hai biểu thức trên tathấy hệ thống phức hợp pha nối tiếp và song song có khả năng giữ điện áp ổnđịnh điện áp cho máy phát khi độ lớn dòng tải và tính chất của tải thay đổi.Đây là 2 nguyên nhân chính gây ra dao động điện áp cho các máy phát điệntrên tàu thủy cũng như các máy phát ở trên bờ

* Sơ đồ vecto

- Khi dòng tải thay đổi : It=var, cosφ=const →IKT =var

Từ đồ thị vecto ta chứng minh được rằng khi có cosφ=const (φ=const) Nếu It

thay đổi từ I1÷I2 thì dòng kích từ thay đổi từ IKT1÷IKT2 làm cho điện áp máyphát thay đổi và cứ như vậy điều chỉnh điện áp máy phát đến định mức

- Khi tính chất tải thay đổi : cosφ=var; It=const → IKT=var

Từ đồ thì vecto trên ta cũng chứng minh được rằng khi dòng tải không thay

đổi nếu cosφ thay đổi (φ tăng từ φ1÷φ2) thì dòng kích từ cũng thay đổi tăng từ

IKT1÷IKT2 làm điện áp máy phát tăng lên, cứ như vậy điều chỉnh điện áp củamáy phát đến giá trị định mức.

* Ưu điểm của hệ thống phức hợp pha

- Hệ thống có nguyên lý đơn giản , tuổi thọ cao

- Hệ thống hoạt động tin cậy , ít hỏng hóc

- Có khả năng ổn định được điện áp máy phát với 2 nguyên nhân chính là khi

độ lớn dòng tải và tính chất tải thay đổi và có tính ổn định rất tốt

- Thời gian cường kích nhanh ( vì nó điều chỉnh ngay từ nguyên nhân gây radao động điện áp)

* Nhược điểm của hệ thống phức hợp pha

- Độ chính xác không được cao

- Hệ thống thường có cấu tạo cồng kềnh, kích thước và trọng lượng lớn

- Khả năng tự kích ban đầu không cao do có nhiều cuộn dây

Trong thực tế đã sử dụng những biện pháp cải thiện tự kích ban đầu như sau:

- Giảm tính phi tuyến của mạch từ

- Thay đổi đặc tính mạch kích từ trong giới hạn tự kích

- Gia tăng từ dư ban đầu

- Cấp nguồn điện áp khác thêm cho mạch kích từ

- Làm tăng phản hồi dòng bằng cách làm ngắn mạch máy phát tại thời điểmban đầu

Các biện pháp cải thiện tự kích trên được áp dụng phụ thuộc vào công suất củamáy phát và điều kiện công tác của máy phát

Đặc tính minh hoạ quá trình tự kích ban đầu :

Đường số 1 : là đặc tính không tải của máy phát.

Đường số 2 : là đặc tính dòng – áp của mạch kích từ, trong hệ thống phức hợppha, ở chế độ không tải

3.2.2 Hệ thống điều chỉnh điện áp theo độ lệch.

- Một trong những nhược điểm cơ bản của hệ thống điều chỉnh điện áp theonhiễu (phức hơp pha) là độ chính xác không cao Điều đó cũng thật dễ hiểu vìsao hệ thống phức hợp pha chỉ có khả năng giữ điện áp ổn định do 2 nguyênnhân chính gây ra dao động điện áp đó là dòng tải và tính chất tải của tải Màkhi nói đến các nguyên nhân gây ra dao động điện áp ta còn phải kể đến sựthay đổi tốc độ quay của diezel (Δn=5%) và sự thay đổi của các cuộn dây máyphát Hệ thống phức hợp pha không có khả năng giữ ổn định điện áp của máyphát khi có các nguyên nhân khác gây ra

- Hệ thống điều chỉnh theo độ lệch không quan tâm đến nhiễu hoặc bất cứnguyên nhân nào gây ra sự thay đổi điện áp của máy phát Nó chỉ biết rằngnếu có sự sai lệch điện áp thực tế của máy phát ra khác giá trị định mức (hoặcgiá trị chuẩn) thì lập tức hệ thống sẽ có tín hiệu điều chỉnh dòng kích từ chophù hợp để giữ cho điện áp phát ra của máy phát không đổi Hệ thống điều

chỉnh điện áp theo độ lệch chỉ có một phần phản hồi điện áp(U f )

Hình A Hình B

Hình3.5 Hệ thống điều chỉnh điện áp theo nguyên lý độ lệch

Trong đó:

- U o : Tín hiệu điện áp chuẩn

- U F : Tín hiệu điện áp thực máy phát.

- Đo và so sánh: Đo điện áp U F thông qua biến áp , điện trở.

- KĐ: Bộ khuếch đại (có thể làm bằng tranzitor, khuếch đại từ, khuếch đại thuật toán…)

-ΔU: Độ lệch tín hiệu điện áp là tín hiệu điều khiển.

-CL: Chỉnh lưu (có thể bằng diot hoặc thyristor…)

Từ sơ đồ khối (Hình B) ta thấy điệp áp thực sự của máy phát được đưa đếnphần tử đo và so sánh, nó được so sánh với điện áp chuẩn U0, cho ta một giá

trị ΔU Sự chênh lệch điện áp này được đưa đến bộ khuếch đại qua bộ khuếchđại tạo ra tín hiệu đủ lớn đưa tới phần tử thực hiện (thông thường là Thyristor)

để tạo ra dòng kích từ đủ lớn phù hợp sự chênh lệch ΔU để kéo điện áp máyphát về điện áp định mức

* Nguyên lý hoạt động:

Khi điện áp của máy phát dao động khỏi điện áp định mức (Uf>Uđm hoặc

Uf<Uđm) Lúc đó có tín hiệu điều khiển ΔU≠0 được tạo ra qua bộ đo và sosánh Tín hiệu này được gửi tới bộ khuếch đại lên tín hiệu đủ lớn sau đó đưaqua bộ chỉnh lưu để điều chỉnh Ikt đủ lớn đưa điện áp của máy phát về với điện

áp định mức

* Ưu điểm

- Dề dàng trong quá trình tự kích ban đầu (vì chỉ có một phản hồi điện áp)

- Hệ thống đơn giản, có trọng lượng và kích thước nhỏ (khi làm bằng các phần

- Thời gian cường kích lâu hơn nguyên lý nhiễu vì nguyên lý giải quyết theoluật nhân quả

- Độ tin cậy không cao do số phần tử nhiều

- Xác suất hỏng hóc cao hơn

3.2.3 Hệ thống tự động điều chỉnh điện áptheo nguyên lý kết hợp.

- Do mức độ điện khí hóa và tự động hóa ngày càng cao nên việc ứng dụngcác phần tử điện tử, vi mạch ngày càng nhiều Chất lượng ổn định điện áp củamáy phát ngày càng đòi hỏi cao hơn Để lợi dụng được những ưu điểm cơ bảcủa 2 nguyên lý (điều chỉnh theo nhiễu và độ lệch) người ta đã chế tạo ra được

hệ thống điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp Có nghĩa là : trên cùng 1

hệ thống ứng dụng 2 nguyên tắc điều chỉnh theo nhiễu và theo độ lệch

- Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp có thể phânlàm 2 loại :

+ Hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha và điều chỉnh theo độ lệch

Hình 3.6 Hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha và điều chỉnh theo độ lệch

Hệ thống kết hợp giữa phức hợp pha và theo độ lệch, máy phát có 2 cuộn kích

từ có sức từ động ngược chiều nhau, cuộn kích từ 1 là cuộn kích từ chính,cuộn 2 là cuộn phụ, sai số ∆U quyết định độ lớn dòng đi trong cuộn kích từphụ

+ Hệ thống kết hợp giữa phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch

Hình 3.7.Hệ thống kết hợp giữa phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch

- Trong đó phần phức hợp pha(hay phức hợp dòng) được gọi là phần điềuchỉnh còn phần độ lệch được gợi là phần hiệu chỉnh Ở hệ thống tự động điềuchỉnh theo nguyên lý kết hợp thì phần phức hợp pha thường tạo ra điện áp lớn

hơn 110% Uđm gọi là bù thiếu Sau đó phần hiệu chỉnh theo độ lệch sẽ hiệuchỉnh kéo điện áp máy phát lên điện áp định mức

* Ưu điểm

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp được xây dựng theo nguyên lý kết hợp nótận dụng được đầy đủ các ưu điểm của 2 phương pháp trên và loại bỏ được bớtcác nhược điểm mà 2 phương pháp gặp phải

* Nhược điểm