Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát dẫn điện trên tàu thuỷ

Vì thế các hệ thống năng lượng điện tầu thuỷ đã và đang đi vào hoàn thiện một cách triệt để theo các hướng phát triển của ngành như sau: + Tự động hoá từng phần các trang thiết bị rồi đế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

*********♦*********

ĐỖ MINH HẢI

ĐIỆN TRÊN TÀU THUỶ

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ DỘNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Văn Hoà

HÀ NỘI 2008

PH ẦN 1 TRẠM PHÁT ĐIỆN TẦU THUỶ

1.1 ĐỘNG CƠ LAI DIESEL

1.1.1 Đặc điểm và những thông số động cơ lai Diesel

Trên tầu thuỷ người ta thường sử dụng động cơ truyền động cho máy phát chính là loại động cơ Diesel Việc sử dụng loại động cơ đốt trong chiếm

tỷ lệ cao như vậy bởi tính ưu việt của chúng:

Hiệu suất có ích cao, đối với động cơ Diesel hiện đại hiệu suất có ích

có thể đạt 40 – 45 % trong khi đó hiệu suất của thiết bị động lực tua bin hơi

chỉ đạt 22 – 28 %, của thiết bị máy hơi nước không quá 16 %, của thiết bị tua bin khí chỉ khoảng 30%

Nếu hai động cơ đốt trong và đốt ngoài cùng công suất thì động cơ đốt trong gọn và nhẹ hơn nhiều (vì không cần các thiết bị phụ khác như động cơ đốt ngoài như nồi hơi buồng cháy, máy nén, thiết bị ngưng hơi…)

Tính có động cao, khởi động nhanh và luôn ở trạng thái sẵn sàng khởi động, có thể điều chỉnh kịp thời theo phụ tải

Dễ tự động hoá và điều khiển từ xa

Ít gây nguy hiểm cho người vận hành (ít có khả năng gây hoả hoạn và

nổ vỡ thiết bị)

Nhiệt độ xung quanh tương đối thấp tạo điều kiện tốt cho thợ máy làm việc

Không tốn nhiên liệu khi dừng động cơ

Không cần nhiều người vận hành sửa chữa

Hiện nay, động cơ Diesel lai máy phát được chế tạo với kết cấu nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo công suất làm việc ũng như điều kiện làm việc, điều

này có được do sự tiến bộ về công nghệ gia công kim loại Để nâng cao công

suất của động cơ, ngày nay trên tầu thuỷ sử dụng động cơ tăng áp, lượng không khí cưỡng bức vào xi lanh động cơ trong quá trình nạp, tương ứng với việc tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình Trong các động cơ tăng

áp, người ta áp dụng các phương pháp có thể tăng áp suất không khí nạp và

giảm nhiệt độ không khí nạp

Nhằm mục đích kéo dài tuổi công tác cho động cơ, hệ thống bôi trơn

và hệ thống làm mát đang từng bước cải tiến, đặc biệt với hệ thống bôi trơn ngoài hai phương pháp bôi trơn tuần hoàn cưỡng bức áp suất thấp và bôi

trơn áp suất cao thì trên một số động cơ Diesel tầu thuỷ hiện đại người ta còn trang bị hệ thống bôi trơn xi lanh phù hợp với phụ tải của động cơ và làm việc với áp suất không lớn lắm Điều đó hạn chế được lượng dầu thừa ở

chế độ phụ tải nhỏ nên hạn chế được sự cháy và sự hình thành cốc ở rãnh xéc măng, đỉnh piston

Bên cạnh những thành tựu đã đạt được trong những vấn đề trên, một loạt những vấn đề khác cũng đang được quan tâm và cũng đạt được những thành tựu đáng kể như: vấn đề làm giảm ô nhiễm môi trường, vấn đề điều khiển, bảo vệ tự động kiểm tra Trong đó vấn đề điều khiển đã đạt được

những bước đột phá lớn nhờ sự tiến bộ vượt bậc của ngành điện tử, tin học 1.1.1.1 Động có Diesel bao gồm các chi tiết sau:

a, Các chi tiết cố định của động cơ Diesel

Bệ máy

Xi lanh

Nắp xi lanh

Những phần này liên kết chặt chẽ với nhau thành một khối thống nhất cứng

vững, là điểm tựa cho động cơ hoạt động Phần tĩnh chiếm khoảng 70% trọng lượng động cơ

b, Các chi tiết phần động của động cơ Diesel

Hệ thống khởi động, đảo chiều

Hệ thống tăng áp (với loại động cơ có tăng áp)

1.1.1.2 Những thông số của Diesel

Diesel cũng như các máy khác Bao giờ khi xuất xưởng các nhà chế

tạo cũng cung cấp cho người sử dụng các đại lượng và thông số danh định

Nhằm mục đích giúp người sử dụng thuận tiện kiểm tra tình trạng của máy trong quá trình vận hành và khai thác Các thông số định mức của Diesel:

+ Công suất định mức của động cơ

+ Tốc độ quay định mức của động cơ

1.1.2 Kh ởi động động cơ Diesel

1.1.2.1 Phương thức khởi động Diesel

Trên tầu thuỷ để khởi động Diesel người ta thường sử dụng hai phương thức khởi động như sau:

+ Khởi động Diesel bằng gió

+ Khởi động Diesel bằng nguồn điện ăc quy

Hiện nay, người ta thường sử dụng phương thức khởi động bằng gió bởi phương thức này có rất nhiều ưu điểm và đem lại hiệu quả cao trong quá trình khởi động Khởi động bằng Ac quy chỉ áp dụng cho loại động cơ có công suất bé

1.1.2.2 Vị trí khởi động Diesel

Để khởi động Diesel lai máy phát người ta thường có hai vị trí khởi động (khởi động tại chỗ hoặc khởi động từ xa) Nhưng do mức độ tự động hoá trên tầu ngày càng cao, nên người ta thường áp dụng phương pháp khởi động từ xa

+ Khởi động ngay tại đầu máy: Đây là chế độ khởi động không thông qua các hệ thống điều khiển trung gian mà thực hiện trực tiếp vào van gió và thanh răng nhiên liệu vị trí này thường được dùng khi chạy thử máy sau khi

sửa chữa, bảo dưỡng hoặc là trường hợp khởi động sự cố với hệ thống điều khiển từ xa gặp hư hỏng

+ Khởi động tại buồng điều khiển: Đây là vị trí được sử dụng thường xuyên trong chế độ vân hành bình thường Phương pháp này thông qua các thiết bị trung gian để thực hiện việc điều khiển khởi động cho Diesel

Hệ thống hoạt động tin cậy, khả năng điều khiển linh hoạt, đơn giản Mặt khác hệ thống điều khiển từ xa có những ưu nhược điểm như sau:

* Ưu điểm

+ Giảm bớt được số người phục vụ trên tầu

+ Rút ngắn được thời gian thao tác vận hành do hệ thống xử lý trung tâm đã đảm nhận những chức năng trung gian

+ Thực hiện lệnh chính xác, ổn định và nhanh chóng Đảm bảo quá trình điều chỉnh tốc độ láng (không nhẩy bậc) và giảm được ứng suất xung

lực trong quá trình điều chỉnh tốc độ

+ Cải thiện được điều kiện làm việc cho thợ máy

+ Nâng cao độ tin cậy và tính an toàn cao trong quá trình khai thác

vận hành

+ Có thể thực hiện khai thác tối ưu và theo dõi từ xa tình trạng kỹ thuật của máy

+ Cho phép hình thành một trung tâm điều khiển tiến tới tạo điều kiện

tự động hoá hoàn toàn việc điều khiển điều chỉnh

* Nhược điểm

+ Hệ thống phức tạp, đòi hỏi nhiều kinh phí

+ Người khai thác phải có trình độ chuyên môn cao

1.1.3 Bảo vệ động cơ Diesel

1.1.3.1 Bảo vệ Diesel

Để thực hiện điều khiển động cơ Diesel đạt hiệu quả cao an toàn, trong hệ thống điều khiển có rất nhiều các thiết bị phải hoàn thành các chức năng khác nhau, do đó hệ thống có rất nhiều thông số cần phải quan tâm, theo dõi và xử lý (từ vài chục đến vài tram thông số) Tất cả các thống số đó

cần được bảo vệ Trong một loạt các thông số đó có các thông số quan trọng

liện quan tới tính an toàn của hệ thống động lực và có những thông số ít quan trọng hơn Nhưng tất cả các thông số đó đều được theo dõi và kiểm tra

thường xuyên Để các thiết bị bảo vệ hoạt động một cách an toàn và tin cậy thì cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Số lượng thông số kiểm tra phải đạt giá trị tối thiểu để hệ thống đơn giản, mặt khác số lượng thông số đó cần phải đủ để đánh giá trạng thái của đối tượng Diesel

thường và chỉ khi tắt loại trừ sự cố và ấn nút Reset

1.1.3.2 Những thông số bảo vệ Diesel

Trong quá trình khai thác Diesel, các đại lượng và thông số luôn được kiểm tra, đo lường, theo dõi và cập nhật Trong các đại lượng và thông số thì

có những đại lượng thông số chỉ kiểm tra khi đạt đến các giá trị đặt (ngưỡng) tín hiệu về các đại lượng thông số này được gửi tới trung tâm xử lý và ở đó thông tin được xử lý và gửi đến các thiết bị chấp hành thực hiện việc báo động Với các đại lượng và thông số quan trọng thì trước khi thực hiện lệnh dừng máy ở chế độ Emergency Stop bao giơ cũng có một hoặc hai nấc báo động để cho người vận hành biết Nếu không có sự can thiệp xử lý để khắc

phục tình trạng thì hệ thống mới hoạt động bảo vệ Các đại lượng và thông

số chủ yếu của Diesel

a, Hệ thống bôi trơn

Áp suất dầu bôi trơn (P/Kg/cm2)

Nhiệt độ dầu bôi trơn

Áp lực dầu bôi trơn tuốc bin tăng áp

Nhiệt độ dầu bôi trơn tuốc bin

Mức dầu bôi trơn tuốc bin

b, Hệ thống làm mát

Áp lực nước làm mát xi lanh

Nhiệt độ nước làm mát xi lanh

Áp lực nước làm mát piston

Nhiệt độ nước làm mát piston

Áp lực nước làm mát vòi phun

Nhiệt độ nước làm mát vòi phun

1.2 MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ KHÔNG CHỔI THAN

Do trạm phát điện tầu thuỷ có công suất không lớn lắm (khoảng một vài nghìn KVA) vì vậy ngày nay máy phát điện đồng bộ không chổi than đã

và đang được trang bị hầu hết trên các đội tầu biển Loại máy này có kích thước và trọng lượng rất gọn nhẹ, các khâu kỹ thuật để nâng cao độ tin cậy

và nâng cao tính ổn định đã được giải quyết Mặt khác, do không có chổi than nên đã giảm thiểu về yêu cầu vệ sinh bảo dưỡng và sửa chữa

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật nên các vấn đề bảo vệ, điều khiển máy phát không chỉ dừng lại ở

những thiết bị đơn thuần như công tắc tơ, rơ le, mà kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật số đã và đang ứng dụng trong các lĩnh vực trên và đem lại hiệu quả cao Vì thế các hệ thống năng lượng điện tầu thuỷ đã và đang đi vào hoàn thiện một cách triệt để theo các hướng phát triển của ngành như sau:

+ Tự động hoá từng phần các trang thiết bị rồi đến tự động hoá toàn phần trạm phát điện tầu thuỷ

+ Tăng độ bền vững và tính kinh tế các trạm phát điện, các hệ thống năng lượng điện bằng cách nâng cao mức độ tự động hoá trên tầu thuỷ

+ Cải tiến tính chất khai thác điện năng bằng cách làm ổn định hơn các thông số của máy phát điện như điện áp, tần số, và công suất của máy phát

+ Hoàn chỉnh các máy móc, khí cụ, thiết bị đo lường và kiểm tra tập trung từ xa

+ Nghiên cứu và phát minh nguồn năng lượng mới và các phương pháp biến đổi nguồn năng lượng đó thành năng lượng điện Đây là một trong

những nhiệm vụ cũng như mục tiêu mà ngành khoa học đặt ra trong thế kỷ

21 này

Ngoài ra trạm phát điện còn có những đặc trưng riêng:

+ Do phải công tác trên biển nên phải chịu độ ẩm cao, nồng độ muối

và dầu, hoá chất cao

+ Trong quá trình hành trình của con tâu, môi trường làm việc luông thay đổi, từ nước này sang nước khác Trạm phát điện tầu thuỷ luôn phải

chịu sự thay đổi của biên độ nhiệt độ môi trường rất lớn

+ Trạm phát điện phải làm việc trong các trạng thái nghiêng lệch + Trạm phát còn phải chịu rung lắc, va đập mạnh do sóng biển

Mặt khác, trạm phát điện làm việc độc lập, thiết bị thay thế hạn chế Dẫn đến khi sự cố xẩy ra gặp rất nhiều khó khăn vì thế mà trạm phát điện

tầu thuỷ cần phải thoả mãn một số những yêu cầu cơ bản, nhằm mục đích đảm bảo nguồn điện năng trên tầu luôn ổn đinh để nâng cao chất lượng khai thác của con tầu:

+ Đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục cho tất cả các trang thiết

bị trên tầu

+ Hệ thống phải có độ tin cậy cao và các thiết bị bảo vệ phải làm việc chính xác trong điều kiện độ nghiêng, chấn động rung lăc và đập, môi trường ẩm, nồng độ muốn, dầu, hoá chất cao

+ Có cấu trúc sao cho thiết bị phải an toàn, chắc chắn, dễ dàng phát

hiện hư hỏng

+ Đơn giản, thuận tiện trong khi vận hành và sử dụng vẫn đảm bảo đầy đủ các chức năng của hệ thống

+ Có thể tách riêng từng nhóm để dễ dàng trong việc thay thế, sửa

chữa mà không ảnh hưởng tới các nhóm khác

+ Có thiết bị trung gian để có thể sử dụng điện bờ khi đỗ cảng hoặc cso máy phát đồng trục khi hành trình Trạm phát điện tầu thuỷ bao gồm hai hoặc nhiều cụng D – G (Diesel – Generator), công suất của toàn trạm được lựa chọn trên cơ sở các yêu cầu về cung cấp điện của phụ tải, về chế độ đi

biển và tính năng của mỗi con tầu

1.2.1 Những đại lượng và thông số danh định

Máy phát điện đồng bộ nói chung, và máy phát điện đồng bộ tầu thuỷ nói riêng thường khi xuất xưởng nhà chế tạo bao giờ cũng cấp cho người sử

dụng các đại lượng và thông số được ghi trên catalog Các đại lượng này có

ý nghĩa rất quan trọng trong quá trinh vận hành và khai thác của máy Hơn

nữa các thông số này còn giúp cho người vận hành thuận tiện kiểm tra các thông số của máy khi sửa chữa, khắc phục sự cố

1.2.1.1 Các đại lượng của máy phát:

Cấp cách điện

1.2.1.2 Thông số danh định của máy phát

Hiện nay do mức độ điện khí hoá trên tàu thuỷ ngày càng cao nên các nhà chế tạo thường hay trang bị cho các đội tầu từ 2 đến 6 tổ máy phát nhằm cung cấp nguồn năng lượng điện một cách liên tục và ổn định để nâng cao

chất lượng khai thác con tầu

a, Thông số của máy phát chính:

Thông thường tram phát điện tầu thuỷ có trọng tải từ 12.500T trở

xuống gồm hai máy phát điện đồng bộ không chổi than do hãng TAIYO sản

xuất Được bố trí ở hai bên mạn tầu và đặt tại buồng máy để thuận tiện trong quá trình vận hành và khai thác Máy phát chính thường ghi các thông số như sau:

b, Thông số của máy phát sự cố:

Để đảm bảo độ tin cậy của trạm phát điện, cung cấp điện liên tục và kịp thời cho các phụ tải trên tầu, thông thường mỗi trạm phát điện tầu thuỷ được lắp đặt thêm một máy phát sự cố, sẵn sàng phát điện lên lưới khi các

máy phát chính gặp vấn đề Máy phát sự cố cũng có các thông số danh định

như máy phát chính

1.2.2 Cấu tạo máy phát điện đồng bộ không chổi than của trạm phát điện tầu thuỷ

1.2.2.1 Cấu trúc chung của máy phát điện đồng bộ không chổi than

Trong quá trình vận hành và khai thác máy phát đồng bộ có chổi than điểm yếu nhất của hệ thống là chỗ tiếp xúc giữa vành trượt và chổi than là

+ Thường xuất hiện tia lửa điện gây nhiễu loạn cho các thiết bị vô tuyến điện

+ Thường đột nhiên mất kích từ do tiếp xúc không tốt do đó mất điện toàn tầu

+ Khó khăn trong quá trình tự kích ban đầu do điện trở tiếp xúc lớn + Chi phí và tốn công bảo dưỡng vành trượt và chổi than

Ngày nay do yêu cầu kỹ thuật cũng như vấn để cung cấp năng lượng điện cho tầu thuỷ ngày càng cao nên động cơ lai máy phát thường là động cơ Diesel có tốc độ cao, vành trượt nhanh bị hao mòn và từ đó làm ảnh hưởng rất lớn trong quá trình cung cấp điện năng cho tầu

Để khắc phục nhược điểm trên nhà chế tạo đã đưa ra loại máy phát đồng bộ mới đó là máy phát đồng bộ không chổi than Do có nhiều ưu điểm

nổi bật nên được các hãng sử dụng rất rộng rãi vào thực tế Máy phát đồng

bộ không chổi than do hãng TAIYO sản xuất là một ví dụ

Việc đưa máy phát đồng bộ không chổi than vào hoạt động trên tàu thuỷ mang lại hiệu quả kinh tế cao Tính hệ thống của loại máy này cũng cao

hơn, nó cho phép rút ngắn thời gian quá độ, làm việc ổn định hơn Hơn nữa, tất cả các thiết bị đi theo nó cũng gọn nhe, chắc chắn Những chỉnh định sửa

chữa và lắp đặt thường phải do các chuyên gia có kinh nghiệm thực hiện, điều này càng có ý nghĩa khi xu thế các sĩ quan máy sẽ kiêm nhiệm vụ việc khai thác hệ thống điện năng trên tầu thuỷ

Cấu trúc chung của máy phát không chổi than được thể hiện trên hình 1.1

÷

Hình 1.1: Cấu trúc chung của máy phát đồng bộ không chổi than

+ Máy phát đồng bộ

+ Máy kích từ xoay chiều

+ Chỉnh lưu cầu quay

+ Cuộn kích từ tĩnh cấp dòng kích từ cho máy phát kích từ

Trong đó máy kích từ xoay chiều và bộ chỉnh lưu quay được lắp trên rotor của máy phát chính Tín hiệu ra xoay chiều ba pha của máy kích từ được chỉnh lưu thành tín hiệu một chiều thông qua bộ chỉnh lưu quay để cấp cho cuộn kích từ chính máy phát

1.2.2.2 Cấu tạo chi tiết máy điện đồng bộ không chổi than

Máy phát điện đồng bộ không chổi than được lắp đặt trên tầu thuỷ có

Khung stator, cuộn dây stator, mạch từ rotor, cuộn dây kích từ, trụ đỡ,

ổ đỡ, máy phát kích từ, bộ chỉnh lưu quay và các phụ kiện khác

a, Stator

Stator được chế tạo từ các tấm thép hàn với nhau để tăng tính chịu lực

và chống các rung động cơ học, ngoài ra khung stator còn được tạo vành để

cố định lõi sắt stator Lõi sắt stator được dập định hình từ các tấm thép là kỹ thuật điện, được phủ một lớp vật liệu cách điện, sau đó xếp lại với nhau sao cho các lớp trùng khít lên nhau Cuối cùng chúng được ép vào các khung và được cố định bằng các chốt

Cuộn dây Stator được làm bằng đồng, bên ngoài được phủ cách điện

và đặt vào các rãnh của Stator cách điện giữa dây quấn và lõi thép là các tấm cách điện Khi cuộn dây đã được đặt vào các rãnh Stator và được nêm chặt

bằng các nêm chế tạo từ vật liệu cách điện như gỗ phíp hay các loại vật liệu cách điện khác Cuối cùng chúng được tẩm, phủ sơn cách điện đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật

b, Rotor

Mạch từ rotor cũng được làm từ các là thép silic có đặc tính từ hoá rất

tốt được phun vecni cách điện và có khía rãnh ở mặt trong để lắp với trục

Trên mỗi tấm thép đều được tạo những lỗ có tác dụng làm mát bằng không khí, ngoài ra còn được tạo rãnh (ở chu vi ngoài) để đặt các cuộn dây Tất cả các tấm thép được ép chặt với nhau và lắp vào trục, sau đó được chốt

giữa hai đầu bằng các chốt đặc biệt

Dây quấn rotor được làm bằng đồng, cùng loại với dây quấn stator và được đặt vào các rãnh của mạch từ rotor với các tấm lót cách điện Phía ngoài cuộn dây được phủ vecni cách điện

Trục rotor được làm bằng thép hợp kim có độ bền cơ học cao Trên

trục rotor được lắp bộ chỉnh lưu quay, đặt về phía đầu máy kích từ để tiện cho việc kiểm tra và sửa chữa Bộ chỉnh lưu đăt trên hai vòng tản nhiệt, trên

đó còn có một bộ Varistor có tác dụng bảo vệ cho bộ chỉnh lưu Nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu này được cấp từ máy phát kích từ, dòng sau chỉnh lưu là dòng một chiều cấp cho cuộn kích từ của máy phát chính

c, Vỏ máy

Vỏ máy được làm từ những vật liệu có độ bền cơ học cao và được chế

tạo thành hình trụ để cố định lõi sắt stator Phía đầu vỏ máy được thiết kế hai

cửa sổ làm mát cho máy khi vận hành, ngoài ra còn thuận tiện trong quá trình kiểm tra và bảo dưỡng máy phát Mặt khác vỏ máy còn làm nhiệm vụ bảo vệ máy và đặt trên giá đỡ, được thiết kế đủ độ bền cơ học, chịu được sự rung lắc khi làm việc

d, Máy phát kích từ

Máy phát kích từ là loại có phần ứng quay và được bố trí trên trục của máy phát chính

Máy phát kích từ gồm các phần từ cơ bản sau:

Khung stator, lõi từ, cuộn dây kích từ, lõi thép phần ứng, cuộn dây

phần ứng

* Stator của máy kích từ:

Khung stator là hợp kim gang và thép được đúc thành những tấm sau

đơ được hàn với nhau đảm bảo được sức bền và độ cứng hợp lý Lõi stator được làm từ các tấm thép mỏng có đặc tính từ hoá tốt xếp lại với nhau va được đặt vào khung stator Mặt trong của lõi Stator được chế tạo thành rãnh

để đặt dây quấn khi đã lót cách điện (dây quấn cùng loại với dây quấn của stator máy phát chính) sau đó các đầu dây còn lại được bó chặt với nhau

* Rotor của máy phát kích từ

Đây là phần ứng của máy phát kích từ Nó được chế tạo từ các tấm thép silic có chất lượng cao được phủ vecni cách điện và được khoan lỗ làm mát Các là thép được ép chặt với nhau và được cố định trên trục của máy phát chính

Cuộn dây phần ứng được làm bằng đồng cùng loại với cuộn dây phần ứng của máy phát chính Cuộn dây được cố định trong các rãnh bằng các nêm chế tạo từ vật liệu cách điện, các đầu dây được bó chặt để tránh tác

dụng của lực ly tâm

e, Thiết bị sấy

Trong quá trình vận hành khai thác bản thân máy phát đã phát ra nhiệt góp phần làm giảm độ ẩm của máy phát nhưng khi máy ngừng hoạt động máy phải có thể hấp thụ khí ẩm từ môi trường bên ngoài Chính vì thế sẽ làm

giảm điện trở cách điện của máy phát dẫn tời gây nên dòng rò trong quá trình làm việc và có nguy cơ lớp cách điện bị đánh thủng khi có xung điện

áp cao Vì vậy trên máy được trang bị một thiết bị sấy để giữ cho nhiệt độ của máy phát lớn hơn nhiệt độ môi trường, làm tăng điện trở cách điện đảm

bảo hệ thống hoạt động an toàn và làm giảm trở kháng trong các cuộn dây, đảm bảo khả năng tự kích tốt

Bộ sấy được đặt ở nơi thấp nhất của khung máy để năng lượng nhiệt

dễ dàng tuần hoàn trong máy, phục vụ có hiệu quả, bảo vệ cuộn dây và các phần tử có liên quan đến độ ẩm

Tín hiệu nguồn điều khiển cho mạch sấy là 220V được lấy trực tiếp từ

mạch cấp nguồn 220V (60V/S07) qua các cầu chì chờ sẵn Khi máy phát ngừng hoạt động, người ta phải tiến hành sấy cho máy phát Công tăc SHS (Space Heater Switch) cấp nguồn cho rơ le 188H (288H) thông qua tiếp

điểm thường đóng 125B của aptomat ACB các tiếp điểm cấp nguồn cho

mạch sấy hoạt động, đồng thời đóng tiếp điểm phụ 188H (288H) S61, đèn

OL (Orange Lamp) sáng báo mạch sấy đang hoạt động

Khi aptomat chính đóng cấp nguồn cho lưới thì rơ le 125B/S21 (125B/S22) cũng có điện, rơ le này hoạt động mở tiếp điểm 125B/S21 (125B/S22) làm cho rơ le 188H (288H) mất điện, mở tiếp điểm cắt nguồn sấy ra khỏi mạch và đèn OL tắt báo mạch sấy ngừng hoạt động

hình 1.2 Space Heater Circuit

H – DPYC – 2.5

3A

F 25 C2

SH1 SH2

SH3

SHS 21

lượng tạp chất có các gốc hoá chất gây hại cho máy trong quá trình làm việc

và giữ được sự ổn định làm việc cho máy phát

g, Hệ thống kích từ

Sơ đồ nguyên lý mạch điện của hệ thống kích từ được mô tả trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý mạch kích từ máy phát

Hệ thống kích từ tĩnh bao gồm cuộn kháng RT, biến dòng CT Bộ

chỉnh lưu silic, khối hiệu chỉnh điện áp AVR

1.2.2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ không chổi than

CT

Khi động cơ sơ cấp lai rotor của máy phát chính (động cơ sơ cấp trên

tầu thuỷ thường là động cơ Diesel) chạy với tốc độ ổn định ở giá trị định mức, do ban đầu máy phát có từ dư nên điện áp máy phát sẽ nhanh chóng được thành lập và tín hiệu kích từ lấy từ cầu chỉnh lưu được đưa tời cuộn kich từ của máy phát kích từ Từ trường trong cuộn dây là từ trường tĩnh

nhưng do rotor của máy phát quay nên trong cuộn dây ba pha của máy phát kích từ có sức điện động và dòng cảm ứng Dòng điện xoay chiều ba pha này được bộ chỉnh lưu cầu ba pha chỉnh lưu thành dòng một chiều cung cấp cho cuộn kích từ của máy phát chính và từ trường này quay nên cảm ứng trên cuộn dây ba pha của máy phát những sức điện động toạ lên điện áp trên cực của máy phát chính

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI ĐIỆN NĂNG

1.3.1 Hệ thống phân chia điện năng theo hình khuyên :

Là hệ thống mà tất cả các bảng điện phụ có thể được cấp nguồn đồng thời từ hai hướng bằng các đường cáp khép kín hình khuyên như sau :

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống phân chia điện năng theo hình khuyên

1.Các máy phát 4.Các cầu dao

2.Bảng điện chính 5.Các đường cáp chính

3.Các bảng điện phụ 6.Các đường cáp phụ cung cấp cho bảng điện phụ

7.Các bảng điện nhỏ hay các phụ tải lớn

1.3.2 Hệ thống phân chia điện năng theo hình tia đơn giản :

Đây là hệ thống mà tất các máy phát được cấp điện lên bảng điện chính và từ đó cung cấp tới các phụ tải trực tiếp bằng cáp điện Với kết cấu này, hệ thống chỉ được ứng dụng trên các tàu nhỏ và ít phụ tải

Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống phân chia điện năng theo hình tia đơn giản

1 Phụ tải động lực

2 Phụ tải ánh sáng

1.3.3 Hệ thống phân chia điện năng theo hình tia phức tạp :

Thứ tự cấp nguồn kiểu này phụ tải nào cũng như nhau , phụ thuộc vào tình thế mà một số phụ tải lớn hoặc nhỏ có thể được cấp nguồn trực tiếp từ bảng điện chính hoặc từ bảng điện phụ đến các nhóm phụ tải Loại hệ thống này có ưu điểm là tiết kiệm dây dẫn, độ tin cậy cung cấp năng lượng điện cao và có thể điều khiển cung cấp năng lượng điện từ trung tâm một cách dễ dàng Áp dụng trên các tàu hàng có trọng tải lớn…

Trên tàu 12.500T đã sử dụng kiểu phân chia diện năng theo hình tia phức tạp

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống phân chia điện năng theo hình tia phức tạp 1.Các phụ tải được cấp nguồn trực tiếp từ bảng điện chính

2.Các bảng điện phụ cung cấp đến từng phụ tải

3.Các bảng điện phụ cung cấp đến nhóm phụ tải

4.Các phụ tải được cấp nguồn từ các bảng điện phụ 3

5 Các phụ tải được cấp nguồn từ các bảng điện phụ 2

1.4 CÔNG TÁC SONG SONG CỦA CÁC MÁY PHÁT ĐIỆN

Nguồn điện cung cấp cho các phụ tải trong các hệ thống điện năng tàu thuỷ có thể được lấy từ những nguồn độc lập hoặc từ một nguồn chung do nhiều tổ máy phát điện công tác song song với nhau Hiện nay trên đội tàu thế giới công tác song song của các tổ máy phát trong các hệ thống năng lượng điện là chiếm đa số và ngày càng phát triển ở trình độ tự động hoá cao như: Tự động khởi động và hoà đồng bộ máy phát khi hệ thống quá tải, tự động cho máy phát nghỉ khi công suất của trạm phát lớn hơn nhiều so với công suất của phụ tải

- Giảm bớt sự dao động điện áp khi tăng tải đột ngột

- Nâng cao hiệu suất sử dụng công suất của các tổ máy phát

Khi đưa một máy phát vào công tác song song thì ta có các trường hợp xẩy ra như sau

Gọi Pdmx là công suất định mức của máy phát x ta định hoà (Khảo sát)

Pdmt là tổng công suất của tất cả các máy phát đang công tác trên lưới Khi khảo sát máy phát x ta có ba chế độ công tác của nó trên mạng là: Nếu: Pdmx << Pdmt – Máy phát x công tác với mạng cứng

Pdmx >> Pdmt – Máy phát x công tác độc lập

Pdmx = Pdmt – Máy phát x công tác với mạng mềm

Trên tàu thuỷ thì các máy phát công tác song song chủ yếu với mạng mềm.Vì đa số trạm phát của các tàu vận tải ngày nay được bố trí hai tổ hợp Điêsel – Máy phát có công suất bằng nhau, các thông số kỹ thuật hoàn toàn giống nhau nhằm thực hiện công tác song song trong trạm phát tốt hơn.(trừ trường hợp các tàu đặc biệt như tàu công trình… thì trạm phát có thể bố trí khác)

1.4.1 Công tác song song của các máy phát điện đồng bộ

Đưa máy phát đồng bộ vào công tác song song là quá trình đưa một máy phát từ trạng thái không công tác đến trạng thái cùng cung cấp năng lượng cho thanh cái đang được một hay nhiều máy phát cung cấp năng lượng Quá trình hoà đồng bộ được coi là thành công khi không xảy ra xung dòng lớn và thời gian hoà đồng bộ phải ngắn Điều đó là cần thiết vì sự công tác ổn định của hệ thống, nhất là lúc một trong những máy phát đang làm

việc bị sự cố Trong thực tế chúng ta có hai phương pháp đưa một máy phát vào công tác song song là:

+ Phương pháp hoà đồng bộ: là phương pháp đưa một máy phát

đồng bộ đã được kích từ đến điện áp định mức vào công tác song song với các máy phát khác

+ Phương pháp tự hoà đồng bộ: là quá trình đóng máy phát đồng bộ

chưa được kích từ vào công tác song song với các máy phát khác khi đã quay máy phát đến tốc độ định mức rồi sau đó mới bắt đầu kích từ lên điện

áp định mức Phương pháp này gây ra xung dòng lớn, không thể áp dụng cho trạm phát trên tàu thuỷ bởi công suất máy phát định hoà tương đương với công suất mà trạm phát đang có

Phương pháp đưa máy phát vào công tác song song được dùng trên tàu thuỷ là phương pháp hoà đồng bộ Để thực hiện phương pháp hoà này ta

có hai cách là : Hoà đồng bộ chính xác và hoà đồng bộ thô

- Tần số máy phát định hoà bằng tần số của lưới ( f1= f2 )

- Góc lệch pha giữa hai điện áp máy phát và lưới tại thời điểm hoà bằng 0 ( hay δ = 0 )

- Kiểm tra sự bằng nhau của tần số lưới và tần số máy phát định hoà bằng việc đọc số chỉ trên đồng hồ tần số kế

- Kiểm tra sự bằng nhau của điện áp máy phát định hoà và điện áp lưới bằng đồng hồ vôn kế

- Kiểm tra thứ tự pha như nhau bằng cách quan sát các bóng đèn, đây

là hệ thống đèn tắt nên các bóng đèn sẽ tắt đồng thời nếu thứ tự các pha như nhau

- Kiểm tra véctơ điện áp các pha tương ứng trùng nhau ( δ=0 ) tại thời điểm các bóng đèn cùng tắt

Uc2

Ua1

Ua2

Ub 1 Ub2 Uc1

Sau khi đã kiểm tra các điều kiện như điện áp và tần số đã bằng nhau,

ta tiến hành đóng áptômát của máy định hoà tại thời điểm hai đèn cùng tắt vì khi đó hai véctơ điện áp trùng nhau (nếu các điều kiện hoà chưa thoả mãn ta tiến hành điều chỉnh máy phát định hoà để đạt được yêu cầu hoà) Trong thực tế hệ thống đèn tắt này ít được dùng vì độ chính xác không cao

+ Hệ thống đèn quay :

Hệ thống đèn quay cũng thường được ứng dụng rộng rãi trên các tàu

để kiểm tra các điều kiện hoà đồng bộ chính xác Hệ thống đèn quay không những cho phép người vận hành dễ dàng xác định được thời điểm hoà máy phát vào lưới mà còn cho phép xác định được tần số điện áp máy phát định hoà lớn hơn hay nhỏ hơn tần số điện áp lưới dựa vào chiều quay của hệ thống đèn

Uc2

Ua1

Ua2

Ub1 Ub2

Chiều giảm

Chiều tăng

Bóng chủ

( Sơ đồ hệ thống đèn quay)

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí và đồ thị véc tơ hệ thống đèn quay:

Ở hệ thống đèn quay việc kiểm tra sự bằng nhau của điện áp ta vẫn sử dụng đồng hồ vôn kế Còn xác định sự bằng nhau của tần số và tìm thời điểm hoà ta dựa vào hệ thống đèn

Nếu tần số máy phát định hoà lớn hơn tần số lưới thì đèn sẽ quay theo chiều 3 – 1 – 2 – 3 (cùng chiều kim đồng hồ) Nếu tần số máy phát định hoà nhỏ hơn tần số lưới thì đèn sẽ quay theo chiều 2 – 1 – 3 – 2 (ngược chiều kim đồng hồ) Vì vậy để điều chỉnh tần số ta thực hiện điều chỉnh lượng

nhiên liệu vào động cơ lai máy phát định hoà dựa vào chiều quay của hệ thống đèn Khi hệ thống đèn quay nhanh theo chiều kim đồng hồ ta thực hiện giảm nhiên liệu vào động cơ lai máy phát định hoà và ngược lại

Thời điểm hoà là thời điểm mà tốc độ quay hệ thống đèn chậm theo chiều kim đồng hồ; bóng đèn số 1 tắt và bóng đèn số 2, 3 sáng như nhau Theo yêu cầu khi đóng máy phát vào mạng sẽ nhận ngay 5% công suất tác dụng.Vì vậy nếu hệ thống đèn quay ngược chiều kim đồng hồ mà ta đóng máy phát vào thì máy phát sẽ nhận công suất ngược và có thể bị cắt ngay ra khỏi mạng

+ Hệ thống đồng bộ kế :

Nhằm nâng cao độ tin cậy và tính chính xác trong việc thực hiện hoà đồng bộ, một thiết bị kiểm tra các điều kiện hoà có thể đáp ứng được yêu cầu trên đã được chế tạo Đó là đồng bộ kế, và nó đã được sử dụng ở hầu hết các trạm phát tàu thuỷ có sử dụng công tác song song các máy phát

T

c1 c2

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí hệ thống đồng bộ kế

Hệ thống đồng bộ kế được sử dụng để xác định sự sai lệch của tần số

Giả sử ta gọi:

f1 – Tần số của điện áp lưới

f2 – Tần số của điện áp máy phát định hoà

Nếu f1 < f2 thì kim đồng bộ kế sẽ quay theo chiều kim đồng hồ (chiều FAST)

Nếu f1 > f2 thì kim đồng bộ kế sẽ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (chiều SLOW)

Tốc độ quay của kim đồng bộ kế phụ thuộc vào độ lớn của sự chênh lệch tần số của điện áp máy phát và tần số điện áp lưới Chọn thời điểm hoà

là khi kim đồng bộ kế quay chậm theo chiều kim đồng hồ và ta thực hiện việc đóng Áptômát khi kim đồng bộ kế nằm tại vạch đỏ Đồng bộ kế là thiết

bị công tác ở chế độ ngắn hạn nên khi thực hiện hoà xong ta phải cắt đồng

bộ kế ra khỏi lưới điện

2 Hoà đồng bộ thô :

Hoà đồng bộ thô là tại thời điểm đóng máy phát hầu như các điều kiện hoà đồng bộ đã thoả mãn chỉ trừ điều kiện véctơ điện áp pha tương ứng của máy phát định hoà và của lưới chưa trùng nhau, ( δ ≠ 0 )

Phương pháp này được dùng khá phổ biến trên tàu thuỷ vì có thời gian hoà đồng bộ ngắn Tuy nhiên trong thời gian quá trình quá độ ta đóng máy phát vào công tác song song bằng phương pháp này sẽ gây ra dòng cân bằng lớn.Vì vậy để hạn chế dòng cân bằng này người ta sử dụng các cuộn cảm đặc biệt

và ngay sau đó mở cầu dao 1 Khi hoà đồng bộ thô, dòng cân bằng chạy trong cuộn dây phần ứng của tất cả các máy phát đang công tác trên cùng thanh cái, gây ra mômen quay trên rôto của máy phát Mômen này có tác dụng kéo rôto các máy phát vào đồng bộ với nhau Quá trình này kéo dài khoảng một vài giây, thời gian này còn phụ thuộc vào trở kháng của cuộn cảm và mômen quán tính của các máy phát

1.4.2 Phân chia tải cho các máy phát đồng bộ khi công tác song song

Đối với trạm phát điện xoay chiều việc phân bố tải khi các máy phát công tác song song là rất quan trọng Tải của trạm phát điện tàu thuỷ gồm tải tác dụng và tải phản tác dụng.Tải tác dụng của máy phát điện tỷ lệ thuận với mômen trên trục của nó nên sự phân chia tải tác dụng giữa các máy phát công tác song song là sự phân chia mômen cản trên trục của các máy phát

Việc này được thực hiện nhờ thay đổi lượng nhiên liệu vào động cơ truyền động thông qua bộ điều tốc

Tải phản tác dụng ( tải vô công ) của máy phát ta quan niệm đó là tải phản tác dụng mang tính cảm kháng và tải phản tác dụng mang tính dung kháng

Ở đây ta chỉ quan tâm đến vấn đề phân bố tải phản tác dụng mang tính cảm kháng.Việc phân bố tải phản tác dụng được thực hiện nhờ việc thay đổi trị số dòng kích từ, dòng kích từ lại phụ thuộc vào công tác của các hệ thống tự động điều chỉnh điện áp

1 Phân bố tải vô công cho các máy phát điện công tác song song

Theo quy định của đăng kiểm thì sự chênh lệch tải vô công giữa hai máy phát công tác song song không được vượt quá 10% công suất vô công định mức của máy lớn nhất Khi các máy phát công tác song song nếu có sự phân bố tải vô công không đều, vượt ngoài giới hạn cho phép sẽ dẫn đến những hậu quả sau:

- Máy phát này nhận toàn bộ tải vô công của máy phát kia dẫn đến một máy bị cắt ra khỏi mạng do kết quả của việc bảo vệ quá tải (quá dòng)

- Hiệu suất sử dụng của máy có tải vô công lớn sẽ rất thấp

- Tăng tổn hao trong các cuộn dây vì luôn luôn có dòng cân bằng chạy trong hai máy

Để thực hiện phân bố tải vô công cho các máy phát công tác song song thực tế đã áp dụng các phương pháp sau :

– Điều khiển đặc tính ngoài của máy phát

– Tự điều chỉnh phân bố tải vô công

– Nối dây cân bằng

+ Phương pháp điều khiển đặc tính ngoài của máy phát :

Độ nghiêng của đặc tính ngoài máy phát là yếu tố quyết định đến phân

bố tải vô công khi công tác song song Mặc dù các máy phát được chế tạo cùng một sêri, cùng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp nhưng chúng ta vẫn không thể có được đặc tính ngoài của chúng giống hệt nhau Để có thể điều chỉnh được độ nghiêng của đặc tính ngoài (độ hữu sai) các nhà chế tạo đã đưa vào hệ thống tự động điều chỉnh điện áp một khối mà thông qua nó điều chỉnh được độ nghiêng phụ thuộc vào mức độ tải vô công Tín hiệu mức độ tải vô công được lấy từ dòng kích từ hoặc thông qua dòng tải của máy phát

- Lấy tín hiệu từ dòng kích từ :

Để giữ cho điện áp máy phát không đổi thì sự thay đổi dòng kích từ gần như tuyến tính với sự thay đổi dòng tải vô công Vì vậy lấy tín hiệu từ dòng kích từ cũng phản ánh được mức độ tải vô công của máy phát

Bd

CL

∆U

Uo Uv

dòng kích từ)

Hình 1.11 : Sơ đồ nguyên lí lấy tín hiệu từ dòng kích từ

Từ sơ đồ ta thấy tín hiệu của dòng kích từ thông qua biến dòng một pha trước chỉnh lưu khép kín qua biến trở R Như vậy phần tử so sánh của hệ

thống sẽ nhận ba tín hiệu đó là: Điện áp chuẩn U0 ; điện áp máy phát Uf và điện áp rơi trên biến trở R là UR(tín hiệu từ dòng kích từ)

Ta có : ∆U = U0 - ( Uf + UR ) ( 1.3 )

Tín hiệu từ dòng kích từ này làm cho ∆U nhỏ đi Khi dòng kích từ càng tăng thì ∆U càng nhỏ, do đó khi máy phát càng nhận tải vô công nhiều thì đặc tính ngoài càng mềm đi (càng dốc) Còn khi tải tác dụng của máy phát tăng thì dòng kích từ thay đổi không đáng kể Để điều chỉnh độ nghiêng đặc tính ngoài ta chỉnh chiết áp R Đặc tính sẽ cứng nhất khi ta chỉnh cho giá trị R=0 và mềm nhất khi ta đưa toàn bộ giá trị R vào Phương pháp này không được ứng dụng nhiều vì giới hạn điều chỉnh không lớn

- Lấy tín hiệu từ dòng tải của máy phát :

Đây là phương pháp được ứng dụng rất nhiều trên tàu thuỷ hiện nay

Thành phần điện áp ITT.R làm thay đổi điện áp tổng đưa đến phần tử

so sánh là rất bé Còn điện áp rơi trên R do thành phần vô công (ITP.R) làm thay đổi điện áp tổng đưa đến phần tử so sánh ở mức độ lớn Do đó ta có:

∆U = U0 – (URS + ITP.R) ( 1.5 )

Từ kết quả tính ∆U ta thấy độ nghiêng của đặc tính ngoài phụ thuộc vào thành phần tải vô công Như vậy muốn thay đổi độ nghiêng của đặc tính với cùng chỉ số dòng ITPta chỉ việc điều chỉnh biến trở R

+ Phương pháp tự điều chỉnh phân bố tải vô công : Khi ứng dụng phương

pháp điều chỉnh đặc tính ngoài thường gặp phải một số hạn chế như trong lắp đặt, sửa chữa, thử nghiệm cần phải khảo sát, đo đạc để chỉnh độ nghiêng của đặc tính Mặt khác một số thông số của hệ thống bị thay đổi do tác động của các yếu tố bên ngoài từ môi trường nhất là nhiệt độ và độ ẩm Dẫn đến

độ nghiêng đặc tính ngoài các máy phát lại lệch nhau Hạn chế trên đã được khắc phục nhờ ứng dụng phương pháp tự điều chỉnh phân bố tải vô công Phương pháp này chủ yếu dựa trên tín hiệu phân bố tải vô công không đều giữa các máy phát công tác song song

+ Phương pháp phân bố tải vô công bằng cách nối dây cân bằng :

Hai phương pháp giới thiệu ở trên không thể áp dụng được cho những máy phát có hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức hợp pha đơn thuần

Do vậy để thực hiện phân bố tải vô công cho các máy phát loại này ta áp dụng phương pháp nối dây cân bằng Khi nối như vậy ta tạo được sự đồng thời thay đổi dòng kích từ của các máy phát công tác song song với nhau và điện áp trên cuộn kích từ là luôn luôn bằng nhau

Có hai cách thực hiện nối dây cân bằng:

- Nối dây cân bằng phía một chiều: Áp dụng cho các máy phát có đặc tính từ hoá giống nhau và điện áp kích từ bằng nhau

- Nối dây cân bằng phía xoay chiều: Áp dụng cho các máy phát không

có các điều kiện ở cách một

2 Phân bố tải tác dụng cho các máy phát công tác song song :

Phân bố tải tác dụng cho các máy phát công tác song song được quyết định bởi đặc tính cơ của bộ điều tốc của động cơ truyền động cho máy phát

Ở đây sự phân bố tải tác dụng cho trường hợp hai máy cùng công suất công tác song song Muốn phân bố tải tác dụng đều giữa hai máy, đặc tính của bộ điều tốc phải giống hệt nhau Trường hợp đặc tính của hai bộ điều tốc khác nhau thì sự phân bố tải sẽ khác nhau Sau khi đóng máy phát đồng bộ vào công tác song song ta phải tiến hành phân bố tải tác dụng cho chúng Muốn vậy ta phải tác động đến bộ điều tốc tức là thay đổi lượng nhiên liệu đưa vào máy

Thực chất khi thay đổi lượng nhiên liệu đưa vào máy (mà vẫn phải giữ cho f = const) ta sẽ thay đổi được gì để dẫn đến thay đổi tải tác dụng của máy phát

Hình 1.13 : Đồ thị phân bố tải tác dụng của hai máy phát 1 và 2

Giả sử ta có máy phát cực ẩn qua đường cáp đưa lên thanh cái như hình sau:

Xp E

I U

.I.UP

Từ đồ thị ta thấy việc tăng công suất truyền đạt của máy phát khi E và

U không đổi chỉ thực hiện được bằng cách thay đổi góc δ Góc δ biểu thị vị trí của rôto trong không gian Đó là góc lệch giữa các trục của từ trường do stato gây ra hoặc nó là góc lệch giữa véctơ E và véctơ U