Tiểu luận TRẠM PHÁT điện tàu THỦY

8

Chơng 1. trạm phát điện tàu thủy
1.1. Giới thiệu tổng quát trạm phát điện tàu thủy

Trên tàu thủy nguồn năng lợng điện chính đợc tạo ra nhờ các máy phát
điện đồng bộ pha, đợc truyền động bởi các động cơ Diesel phụ, Diesel chính
hoặc Turbin. Số lợng và công suất của các máy phát phụ thuộc vào yêu cầu
phụ tải, hay cách khác là phụ thuộc vào kích thớc trọng tải và tính chất con
tàu. Thông thờng một trạm điện tàu thủy có từ 02 - 05 tổ máy đợc thiết kế để
chúng có thể làm việc song song với nhau. Mục đích làm tăng tính an toàn,
đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục cho các phụ tải đồng thời vẫn đảm
bảo hiệu quả khai thác sử dụng cũng nh hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên khi các
máy phát công tác song song với nhau thì các quá trình diễn ra trong hệ thống
càng phức tạp, thậm chí có thể dẫn đến hệ thống hoạt động mất ổn định.
Sơ đồ phân bố năng lợng điện tàu thủy đợc mô tả trên hình 1.1
PT1

PT2

PTn

TC
AT1
MF1
Đ1

AT2
MF2
Đ2

AT3
MF3
Đ3

Hình 1.1: Hệ thống phân phối năng lợng điện tàu thuỷ
Trong đó:


9
- MF1, MF2, MF3: Các máy phát đồng bộ 3 pha.
- Đ1, Đ2, Đ3: Các động cơ cấp lai các máy phát, có thể là động cơ Diesel
hay Turbin.
- AT1, AT2, AT3: Các Aptomat chính của máy phát.
- TC: Thanh cái là nơi tập trung năng lợng điện, tuỳ theo cấu trúc các tàu
khác nhau mà số lợng và sự bố trí thanh cái khác nhau.
- PT1, PT2,... PTn: Phụ tải tiêu thụ năng lợng điện
Tất cả các phụ tải tiêu thụ năng lợng điện đều đợc thiết kế, chế tạo công
tác với một điện áp, tần số định mức cho trớc, và chỉ khi công tác với điện áp,
tần số này thì thiết bị mới hoạt động tin cậy và có tuổi thọ cao. Do vậy, để duy
trì đợc một điện áp và tần số không đổi cung cấp cho các phụ tải, trạm phát
điện tàu thuỷ đều đợc trang bị các hệ thống tự động ổn định điện áp, tự động
điều chỉnh vòng quay Diesel, hệ thống phân chia tải phản tác dụng và tải tác
dụng...
Trong quá trình làm việc song song thì việc phân chia tải giữa các máy
phát là một việc hết sức quan trọng. Việc chia tải tác dụng giữa các máy phát
phụ thuộc vào động cơ sơ cấp và cụ thể hơn là liên quan đến hệ điều tốc. Phân
chia tải phản tác dụng liên quan đến hệ điều chỉnh điện áp, hay là phụ thuộc
giá trị dòng kích từ của từng máy khi chúng làm việc song song.
Để đảm bảo hệ thống làm việc an toàn thì trạm phát điện tàu thuỷ còn đợc
trang bị các thiết bị báo động, bảo vệ nh: với máy phát có bảo vệ ngắn mạch,

quá tải, công suất ngợc,... với động cơ sơ cấp là động cơ diesel là các thông số
áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nớc làm mát, quá tốc độ,v.v...
Chế độ hoạt động của hệ thống năng lợng điện tàu thuỷ luôn thay đổi phụ
thuộc vào từng chế độ hoạt động của con tàu. Tuy vậy hệ thống vẫn luôn phải
đảm bảo tính ổn định và phải tuân thủ các quy định, yêu cầu về chất lợng hệ
thống.


10
1.2. Các quy định đăng kiểm về hệ thống tự động ổn định
điện

áp và các chỉ tiêu đánh giá chất lợng hệ thống tự

động

1.2.1. Quy định đăng kiểm
Quy định của Đăng kiểm, [8] nh sau:
- Chế độ tĩnh:
Khi phụ tải thay đổi từ 0 - Iđm, với cos = cos đm, tốc độ quay của động
cơ sơ cấp bằng tốc độ quay định mức với sai số 5% thì điện áp của máy phát
không thay đổi quá 2.5%Uđm. Còn khi cos thay đổi từ 0.6 - 0.9 thì sự dao
động này không quá 3.5%.
- Chế độ động:
Khi thay đổi tải đột ngột thì thời gian điều chỉnh (ổn định) không vợt quá
1.5 (s), khi thay đổi tải đột ngột với P = 60% P đm và cos < 0.4 thì độ quá
chỉnh không vợt quá -15% đến +20% điện áp định mức.
1.2.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lợng hệ thống tự động
Chất lợng hệ thống điều khiển tự động đợc đánh giá qua các chỉ tiêu tính
ổn định và các chỉ tiêu khác của quá trình quá độ và xác lập.

Một hệ thống điều khiển tự động gọi là ổn định khi tín hiệu ra của hệ
thống tắt dần theo thời gian.
lim

qd

(t ) = 0

t

hay là khi tín hiệu của hệ tiến tới một giá trị ổn định hằng số khi tín hiệu
vào u(t) = 1(t).
- Chất lợng tĩnh: Sau khi đi vào ổn định ở trạng thái xác lập vẫn tồn tại
một sai lệch nào đó tuỳ thuộc vào bộ điều khiển. Đó là chất lợng tĩnh và đợc
đánh giá theo sai lệch tĩnh.


11
s = lim e (t ) = e()

(1.1)

t

- Chất lợng động:
+ Độ quá chỉnh (lợng quá điều chỉnh): max = ymax - y () trong đó ymax là
giá trị lớn nhất của hàm quá độ y(t).
+ Thời gian quá độ tqd: Là thời gian đợc tính đến khi giá trị hàm quá độ đi
vào vùng ổn định.
+ Độ tác động nhanh của hệ thống đợc đánh giá bằng thời điểm mà hàm

quá độ đạt đợc giá trị y() lần đầu tiên.
+ Số lần dao động n xung quanh giá trị y ().
Chất lợng động của hệ thống đợc xác định qua các tiêu chuẩn tích phân,
tùy theo dạng đờng cong quá độ mà chúng ta có các tiêu chuẩn đánh giá khác
nhau .
1.3. Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay động cơ Diesel,
các thông số đặc trng chủ yếu của bộ điều tốc

1.3.1. Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay động cơ Diesel
Trong quá trình khai thác, chế độ làm việc của động cơ Diesel thờng
xuyên thay đổi, tức là chế độ làm việc ổn định của hệ thống luôn bị phá vỡ.
Khi thay đổi phụ tải hay mômen quay động cơ thì vòng quay của hệ trục cũng
thay đổi, [3] ta có:
dw
Jdc dt = Me -Mc

(1.2)

Trong đó: Jdc-mô men quán tính quy đổi của hệ động cơ và thiết bị tiêu thụ
năng lợng
Me, Mc- Mô men quay, mô men cản


12
Nh vậy, để vòng quay hệ trục không thay đổi hoặc thay đổi trong giới hạn
cho phép thì phải đảm bảo mômen do động cơ Diesel sinh ra cân bằng với
mômen cản của thiết bị tiêu thụ năng lợng, điều đó đợc thực hiện bằng cách
luôn luôn thay đổi lợng nhiên liệu cấp cho động cơ. Trong quá trình khai thác,
phụ tải luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài nên không thể điều
khiển lợng nhiên liệu cấp cho động cơ bằng tay đợc. Ngoài ra động cơ Diesel

rất nhậy cảm với chế độ tốc độ. Nếu vòng quay khai thác vợt quá vòng quay
cho phép, chất lợng công tác của chu trình xấu đi, làm giảm tính tin cậy, tăng
suất tiêu hao nhiên liệu, giảm tuổi thọ động cơ. Vì thế cần thiết phải đảm bảo
động cơ làm việc trong khoảng vòng quay cho phép bằng bộ điều tốc. Do vậy,
bố trí bộ điều tốc để tự động điều chỉnh lợng nhiên liệu cấp trong mỗi chu
trình sao cho công suất động cơ luôn cân bằng với công suất máy công tác là
điều rất cần thiết.
Hiện nay, các loại bộ điều tốc lắp trên động cơ Diesel rất đa dạng phụ
thuộc vào công dụng và đặc tính động cơ. Dựa vào đặc điểm của các bộ điều
tốc thờng lắp trên các động cơ Diesel có thể phân thành các loại khác nhau
nh sau:
- Bộ điều tốc cơ giới, thuỷ lực, điện và chân không.
- Bộ điều tốc 1 xung và 2 xung.
- Bộ điều tốc có sai số tĩnh và không có sai số tĩnh.
- Bộ điều tốc độc lập và lắp trong cụm bơm cao áp.
- Bộ điều tốc trực tiếp và gián tiếp.
1.3.2. Các thông số đặc trng của bộ điều tốc
Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay không thay đổi hay thay đổi do
tác động của con ngời, không phụ thuộc vào tải. Đặc tính của bộ điều tốc đợc
đặc trng bởi một số thông số chủ yếu sau:


13
1.3.2.1. Độ không đồng đều ()
Độ không đồng đều trong quá trình điều chỉnh vòng quay là tỷ số độ
chênh giữa vòng quay động cơ khi tăng từ 0 đến toàn tải (khi giữ nguyên vị trí
thanh răng bơm cao áp) với vòng quay trung bình:
=

n kt n H

ntb

(1.3)

Trong đó:
nkt - vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph.
nH - vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức. v/ph;
ntb = (nkt + nH)/2 - vòng quay trung bình, v/ph.
là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trng cho khả năng duy trì
vòng quay ban đầu, càng nhỏ chất lợng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi
đó thời gian điều chỉnh tăng lên. Trong trờng hợp đờng đặc tính điều tốc
vuông góc với trục hoành ( = 0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh (đặc
tính izôđrôm). Trong trờng hợp đờng đặc tính điều tốc có độ dốc ( > 0) gọi là
đặc tính tĩnh định. Đối với động cơ điezel lai máy phát điện = 0 ữ 5%.
1.3.2.2. Độ không nhậy của bộ điều tốc
Nếu không có lực ma sát, khi vận tốc góc động cơ thay đổi rất ít cũng làm
dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc. Thực tế, do ảnh hởng lực ma sát trong các
cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu điều khiển nhiên liệu nên khi vận tốc góc
thay đổi nhỏ, bộ điều tốc không có phản ứng gì. Giới hạn thay đổi vận tốc góc
tơng ứng vùng không có phản ứng gọi là khu vực không nhậy. Chiều rộng khu
vực không nhậy thể hiện bằng độ không nhậy của bộ điều tốc kn.
kn =

' cb "cb
cb

;

cb =

' cb + " cb
2

(1.4)


14
Trong đó, cb , cb - giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực
không nhậy khi tăng và giảm vòng quay động cơ.
Trong các bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ. Trong điều kiện
làm việc độc lập, độ không nhậy ảnh hởng không nhiều tới chất lợng làm việc
động cơ. Khi làm việc song song, chỉ cần có độ không nhậy nhỏ cũng có thể
gây ra sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ
thống điều chỉnh có thể đợc xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực
không nhậy của động cơ.
Độ không nhậy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác
động cơ và chất lợng chăm sóc bảo dỡng. Với các động cơ làm việc song song
mặc dù động cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhng vùng không nhậy
không hoàn toàn giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận.
1.3.2.3. Độ thay đổi vòng quay tơng đối lớn nhất
Độ thay đổi vòng quay tơng đối lớn nhất là tỷ số giữa biên độ dao động
vòng quay lớn nhất (vận tốc góc lớn nhất) trong thời gian chuyển tiếp với vòng
quay định mức:
dd

=
H

n dd

= n
H

(1.5)

ndd (dd) - biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá
trình chuyển tiếp.
Giá trị độ thay đổi vòng quay tơng đối lớn nhất phụ thuộc vào chất lợng
bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật, chất lợng quá trình cháy của động cơ và các
hệ thống phục vụ, phụ thuộc vào phơng pháp và mức độ thay đổi tải theo độ
quy định của đăng kiểm độ quá điều chỉnh có giá trị cao nhất 10% vòng quay
định mức.


15

s

tct

1
2
3

H

B

H

A

dd

maxkt

dd



tct

s

t

Hình 1.2:Biểu diễn Sự thay đổi , , và tct
1.3.2.4. Độ không ổn định vòng quay tơng đối
Độ không ổn định vòng quay tơng đối là tỷ số giữa biên độ vòng quay
khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tơng đối
(định mức, không tải v.v...):
s

=
H

s

hay =
kt

(1.6)

Trong đó: s - biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định;
H, kt - vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không
tải).
1.3.2.5. Thời gian chuyển tiếp tct (hay thời gian điều chỉnh)
Thời gian chuyển tiếp tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc
biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép. Thời
gian tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lợng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật
của động cơ và các hệ thống phục vụ, phơng pháp và mức độ thay đổi tải.


16
Đối với động cơ Diesel lai máy phát, thời gian điều chỉnh không lớn hơn 5(s)
1.4. Chỉ tiêu chất lợng [4] trạm phát điện tàu thủy

1.4.1. Hệ số đặc trng sự biến dạng đặc tính thời gian của điện áp và
dòng điện.
Chỉ số biến dạng đặc tính thời gian của điện áp và dòng điện trong lới điện
tàu thủy đợc xác định:
n

Kn =

Trong đó:

.A
h=2

AC

2

h
* 100%

(1.7)

Kn - Hệ số biến dạng điện áp.
Ah - Giá trị hiệu dụng của sóng bậc h
AC - Giá trị hiệu dụng của đặc tính.

1.4.2. Hệ số độ lệch cực đại giá trị tức thời của điện áp đối với sóng
bậc một Uw.
Uw =

Trong đó:

U m
U 1. 2

* 100%

(1.8)

Um: độ lệch điện áp cực đại
U1: Giá trị hiệu dụng sóng bậc 1 của điện áp

Do có tổn hao gây nên bởi các sóng bậc cao của dòng điện trong các máy

điện, biến áp, tụ điện trong các thiết bị bù cos nên cần xác định giá trị trung
bình của hệ số biến dạng Ku trong một thời gian dài.
1.4.3. Hệ số hàm lợng sóng bậc cao
Để đánh giá tác dụng của lới đối với sóng radio ta cần xác định hàm lợng
sóng bậc cao kih. Hệ số này đợc định nghĩa:


17

k ih =

In
I1

(1.9)

Bằng phơng pháp đo lờng ta có thể xác định toàn bộ phổ tần của tín hiệu
điện áp và dòng điện hoặc chỉ xác định hàm lợng của một số sóng bậc cao phụ
thuộc vào số lợng, loại thiết bị có trong hệ thống.
1.4.4. Hệ số đặc trng sự lệch điện áp, tần số và độ phi đối xứng của
điện áp.
- Các hệ số đặc trng độ lệch điện áp và tần số của lới điện tàu thủy là: Độ
lệch điện áp U, độ lệch tần số f.
- Các hệ số này cần phải xác định ở trạng thái động và tính theo biểu thức
sau:
Hệ số độ lệch điện áp:
U =

Trong đó:

U U dm
* 100%
U dm

(1.10)

Udm là điện áp định mức
U là giá trị hiệu dụng trên thanh cái.

Hệ số độ lệch tần số:
f =

Trong đó:

f f dm
* 100%
f dm

fdm là tần số định mức.
f là giá trị tần số trên thanh cái.

Ngoài ra còn phải xác định thời gian tồn tại quá trình quá độ.

(1.11)


18
1.4.5. Chỉ số phi đối xứng điện áp.
- Chỉ số phi đối xứng điện áp có thể là hệ số không đối xứng điện áp W n
đợc xác định nh tỷ số độ lệch cực đại của điện áp trung bình U của pha bất

kỳ đối với giá trị trung bình của điện áp lới Utb.
Wn =

U
U tb

(1.12)

- Theo quy định của tổ chức kỹ thuật điện quốc tế (IEC) nếu độ phi đối
xứng vợt quá 5% thì cần phải chú ý tới thành phần điện áp đối xứng ngợc khi
phân tích chế độ làm việc của động cơ dị bộ.
1.4.6. Hệ số đặc trng sự phân chia tải tác dụng và phản kháng giữa
các máy làm việc song song.
Các chỉ số này không gặp trong lới điện bờ mà chỉ gặp trong lới điện tàu
thủy vì nó có liên quan đến sự làm việc liên tục của trạm điện. Các chỉ số
phân bố công suất tác dụng và phản kháng Pi, Qi xác định nh sau:
n

Pi =

P1 i Pin
i =1

Pnm

* 100%

(1.13)

n

Qi =

Trong đó:

Qi i Pin
i =1

Qnm

* 100%

(1.14)

Pi, Qi: Công suất tác dụng và phản kháng
Pnm, Qnm: Tải định mức công suất tác dụng và phản kháng

của máy phát làm việc song song có công suất lớn nhất.
n: Số lợng máy phát đang làm việc song song
i: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào số lợng và công suất của các máy đang làm
việc song song.


19

1.4.7. Các chỉ số phụ
Do đặc điểm của lới điện tàu thủy là lới mềm, các máy phát có hệ điều
chỉnh điện áp và tần số độc lập nên trong hệ thống xuất hiện độ lệch U/f so
với giá trị định mức.
Hệ số này đợc xác định nh sau:

U U dm

f
f dm
=
* 100%
U dm
f dm

(1.15)

Đại lợng này nên tính trong thời gian dài và lấy giá trị trung bình vì nó
ảnh hởng tới tổn hao trong mạch từ.