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

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
--------------------

KS. NGUYỄN HỮU HƯNG

THIẾT KẾ KỸ THUẬT BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN SỰ CỐ TÀU THỦY SỬ
DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HẢI PHÒNG - 2012


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
----------------------

KS. NGUYỄN HỮU HƯNG

THIẾT KẾ KỸ THUẬT BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN SỰ CỐ TÀU THỦY SỬ
DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

MÃ SỐ: 60.52.60
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
Người hướng dẫn khoa hoc: PGS. TS. Nguyễn Tiến Ban

HẢI PHÒNG - 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài: " Thiết kế kỹ thuật bộ điều khiển giám sát cho
trạm phát điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển " là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Hưng

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp " Thiết kế kỹ thuật
bộ điều khiển giám sát cho trạm phát điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều
khiển " tôi có được sự giúp đỡ rất nhiều của thầy hướng dẫn, các thầy cô giáo
trong khoa sau đại học và các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử Trường
Đại học Hàng hải Việt Nam và các đồng nghiệp.
Trước hết, tôi xin cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.,TS. Nguyễn Tiến

Ban, người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
nghiên cứu và thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa sau đại học và
các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Hàng hải Việt
Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời gian quy
định.
Tác giả đã hoàn thành bản luận văn và đạt được mục đích đề ra của đề
tài. Tuy nhiên do năng lực bản thân còn giới hạn, tài liệu tham khảo còn hạn
chế, thời gian dành cho nghiên cứu chưa được nhiều... nên chắc chắn bản luận
văn sẽ còn thiếu sót, rất mong tiếp tục được sự đóng góp ý kiến của các Thầy,
cô và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
§Ò môc

Trang

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu và từ viết tắt

vi

Danh mục các hình vẽ

ix

Mở đầu

1

1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Mục đích của đề tài

2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2

4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài

3

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3

Chương 1. Trạm phát điện sự cố tàu thủy

5

1.1. Giới thiệu chung về trạm phát sự cố trên tàu thủy

5

1.1.1. Giới thiệu chung

5

1.1.2. Nhiệm vụ và chức năng của trạm phát sự cố trên tàu thủy

5

1.1.3. Yêu cầu đối với trạm phát tàu thủy

5

1.2. Cấu trúc trạm phát sự cố tàu thủy

6

1.2.1. Cấu trúc chung của trạm phát sự cố

6

1.2.2. Diesel làm động cơ sơ cấp

7

1.2.3. Máy phát đồng bộ

7

1.2.4. Bảng điện sự cố

12

1.3. Kết luận chương 1

13

Chương 2. Các hệ thống tự động trong trạm phát điện sự cố

14

2.1. Hệ thống tự động ổn định tốc độ cho động cơ sơ cấp (diesel)

14

2.1.1. Khái quát chung

14

iii


2.1.2. Các nguyên tắc xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh tần số

15

2.1.3. Các bộ điều tốc cơ khí - thủy lực

17

2.1.4. Bộ điều tốc điện tử

22

2.2. Hệ tự động điều chỉnh điện áp cho máy phát đồng bộ

24

2.2.1. Khái quát chung

24

2.2.2. Các nguyên tắc xây dựng bộ tự động điều chỉnh điện áp

25

2.3. Hệ tự động điều khiển và giám sát cho trạm phát sự cố

30

2.3.1. Quá trình kiểm tra sự làm việc của máy phát điện sự cố chế độ
bằng tay

31

2.3.2. Mạch kiểm tra điện áp lưới điện từ bảng điện chính

32

2.3.3. Mạch kiểm tra điện áp máy phát điện sự cố

32

2.3.4. Mạch chuyển đổi giữa điện áp lưới điện và điện áp máy phát
điện
2.3.5. Sơ đồ mạch điện tự động khởi động diesel khi mất điện áp lưới
điện chính
2.3.6. Mạch dừng diesel máy phát sự cố khi có điện áp lưới trở lại
2.3.7. Mạch dừng diesel khi áp lực dầu bôi trơn giảm thấp và nhiệt
độ nước làm mát quá cao

33

34
36
37

2.3.8. Mạch đóng và cắt ACB2 máy phát sự cố

37

2.3.9. Mạch đóng và cắt ACB1 từ bảng điện chính

38

2.4. Kết luận chương 2

39

Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho trạm phát
điện sự cố tàu

40

3.1. Điều khiển và yêu cầu điều khiển

40

3.1.1. Các đại lượng và thông số phải điều khiển

40

3.1.2. Những yêu cầu khi thực hiện điều khiển, giám sát trạm phát sự
cố

iv

41

3.2. Vấn đề điều khiển khởi động

42

3.2.1. Trạng thái dừng của trạm sự cố

42

3.2.2. Trạng thái chuẩn bị khởi động

42

3.2.3. Trạng thái khởi động thành công

42

3.3. Vấn đề giám sát và cảnh báo

43

3.4. Vấn đề an toàn và bảo vệ

43

3.5. Chọn thiết bị cho hệ thống

44

3.5.1. Đặt vấn đề

44

3.5.2. Thiết bị trung tâm điều khiển

45

3.5.3. Các loại cảm biến (Sensor)

51

3.5.4. Các loại cơ cấu chấp hành (Actuator)

52

3.6. Thiết kế phần cứng hệ thống

53

3.6.1 Hệ thống nguồn cấp mạch điều khiển

53

3.6.2. Hệ thống hiển thị

53

3.6.3. Hệ thống bàn phím

54

3.6.4. Hệ thống kết nối truyền thông với máy tính

55

3.6.5. Hệ thống đo tín hiệu tương tự

57

36.6. Hệ thống vào ra số

58

3.6.7. Mạch ghép nối của hệ thống điều khiển giám sát

60

3.7. Thiết kế phần mềm hệ thống

63

3.7.1. Lưu đồ thuật toán hàm chính

63

3.7.2. Lưu đồ thuật toán hàm tự động khởi động diesel khi lưới mất
điện

64

3.7.3. Lưu đồ thuật toán hàm báo động và bảo vệ diesel, máy phát

65

3.7.4. Lưu đồ thuật toán hàm dừng diesel khi có điện áp lưới chính

66

3.7.5. Mã nguồn bộ điều khiển

66

3.8. Thiết kế, lắp đặt mô hình vật lý

66

v


3.8.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, giám sát

67

3.8.2. Thiết kế mạch in

68

3.8.3. Chế tạo và lắp ráp mạch

70

3.8.4. Lắp đặt mạch kết nối với các thiết bị vào – ra

72

3.9. Thử nghiệm và chỉnh định

73

3.10. Kết luận chương 3

74

KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ

75

1. KÕt luËn

75

2. KiÕn nghÞ

75

Tµi liÖu tham kh¶o

76

Phụ lục

78

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

E0

Sức điện động phần ứng

P

Tổng công suất tổn hao trong máy

PZ

Công suất lấy ở đầu ra của máy phát



Từ thông của phần ứng (Stator)



Hiệu suất



Góc hợp bởi sức điện động và dòng điện phần ứng

d

Từ thông phần ứng dọc trục

kt

Từ thông cực từ

o

Từ thông rôto

q

Từ thông phần ứng ngang trục

T

Từ thông tản

t

Góc hợp bởi điện áp và dòng điện tải

vi


U
1CC,
2CC, 3CC

Độ biến thiên điện áp
Cầu chì bảo vệ

ACB1,2

Máy cắt không khí (Air Circuit Breaker)

Actuator

Cơ cấu chấp hành

ADC

Chuyển đổi tương tự sang số
(Analogto Digital Converter)

ARM

Họ vi điều khiển (Acorn RISC Machine)

AVR

Họ vi điều khiển 8 bít RICS (reduced instrction set computer)

BD

Biến dòng

CC1, CC2 Cuộn đóng, ngắt của ACB1, ACB2.

Ckt
CL, Cl1,
Cl2

Cuộn dây kích từ
Chỉnh lưu thành phần xoay chiều

const

Ký hiệu là không thay đổi

cost

Hệ số công suất phụ tải

CPU

Central Processor Unit là khối xử trung tâm

CT1,CT2

Công tắc tơ số 1 và Công tắc tơ số 2

DTD

Bộ đặt tốc

EEPROM

Bộ nhớ(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory)

ET

Sức điện động tản

Eưd, Eưq

Sức điện động phần ứng dọc trục, ngang trục

f

Tần số dòng điện máy phát

Fkt

Sức từ động kích từ

Fưd, Fưq

Sức từ động phần ứng dọc trục, ngang trục

G1, G2,
G3

Máy phát điện chính số 1, 2, 3( Viết tắt Generator)

vii


G4

Máy phát điện sự cố;

GPR

Thanh ghi chung (General Purpose Register)

I

Dòng điện tải

ICSP

Viết tắt In Circuit Serial Programming

Id

Thành phần dòng điện dọc trục

Iđm

Dòng điện định mức

Ii

Thành phần dòng điện do dòng tải tạo ra

Ikt

Dòng điện kích từ

Iq

Thành phần dòng điện ngang trục

IR

Dòng điện khi tải thuần trở

Iu

Thành phần dòng điện do điện áp tạo ra

KĐ

Khâu khuếch đại

Kp, Kd,
Kn

Các khâu phản hồi

KS, K

Công tắc khởi động, công tắc

LCD

Màn hình hiển thị (Liquid Crystal Display)

LED

Đèn điốt phát quang (Light Emitting Diode)

M

Mô men

n

Tốc độ quay roto (Vòng/phút)

p

Số cặp cực

PC

Bộ đếm chương trình (Program Counter)

PH

Khâu phản hồi

PIC

Bộ điều khiển ghép nối thiết bị ngoài ( Peripherial Interface
Controller)

PORT I/O

Cổng vào/ra

PSP

Cổng giao tiếp song song (Parallel Slave Port)

R

Điện trở

viii


R,T,S

Các pha lưới điện

RAM

Bộ nhớ đọc ghi (random access memory)

RG

Các rơ le trung gian, thời gian

ROM

Bộ nhớ chỉ đọc (read only memory)

RU

Rơ le điện áp

RY, EG

Rơ le điều khiển

Sensor

Thiết bị cảm biến đầu vào

SFG

Thanh ghi đặc biệt (Special Function Register)

SS

Khâu so sánh

T1, T2,

Biến áp nguồn

BA
TCVN

Tiêu chuẩn việt nam

TH

Khâu thực hiện

U

Điện áp

U1, U 2

Cuộn giữ của ACB1, ACB2

USART

Chuẩn giao tiếp nối tiếp

Xk

Cuộn kháng tạo tín hiệu Iu

Xt

Điện kháng tản

Xưd, Xưq

Điện kháng phần ứng dọc trục, ngang trục

ZT

Phụ tải

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

Tên hình

hình
1.1

Sơ đồ cấu trúc chung trạm phát điện sự cố.

1.2

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

ix

Trang
6
9


1.3

Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng bộ ba pha

10

1.4

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

11

1.5

Sơ đồ một dây ghép nối giữa bảng điện chính và bảng điện sự
cố

13

2.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển theo nguyên lý độ lệch

16

2.2

Sơ đồ hệ thống điều khiển theo nguyên lý kết hợp

17

2.3

Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ khí.

18

2.4

Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ khí thủy lực đặc tính hữu sai

19

2.5

Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ khí thủy lực đặc tính vô sai

20

2.6

Sơ đồ cấu trúc bộ điều tốc cơ điện theo nguyên lý kết hợp

21

2.7

Một số hình ảnh bộ điều tốc điện tử các hãng

23

2.8

Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức hợp
dòng

2.9

Sơ đồ nguyên lí hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức
hợp pha

2.10

Giản đồ vector của hệ thống phức hợp pha

2.11

Sơ đồ khối thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý
độ lệch

2.12

Sơ đồ khối thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý
kết hợp

2.13

Cấu trúc điều khiển ER và RY

2.14

Sơ đồ mạch điện rơle điện áp kiểm tra điện áp từ bảng điện

28
28
29

30
31

chính
2.15

26

Sơ đồ mạch điện rơle điện áp kiểm tra điện áp máy phát điện
sự cố

32

33

2.16

Sơ đồ chuyển đổi giữa nguồn điện chính và nguồn điện sự cố

33

2.17

Sơ đồ nguyên lý mạch điện tự động khởi động diesel khi mất

34

x

điện áp lưới điện từ bảng điện chính
2.18

Sơ đồ nguyên lý dừng diesel lai máy phát sự cố khi có điện
áp lưới trở lại từ bảng điện chính

2.19

Sơ đồ mạch tự giữ khi áp lực dầu giảm và nhiệt độ nước làm
mát cao

2.20

Sơ đồ nguyên lý mạch đóng và mạch cắt công tắc tơ cấp điện
áp máy phát điện sự cố

2.21

Sơ đồ nguyên lý mạch đóng và mạch cắt công tắc tơ cấp điện
áp từ bảng điện chính

36

37

37

39

3.1

Vi điều khiển PIC16F877A/74A và các dạng sơ đồ chân

46

3.2

Bộ nhớ chương trình PIC16F877A

49

3.3

Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A

50

3.4

Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877

51

3.5

Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cấp mạch điều khiển

53

3.6

Hệ thống hiển thị bằng LED 7 thanh

53

3.7

Sơ đồ nguyên lý mạch hệ thống hiển thị bằng LCD

54

3.8

Sơ đồ nguyên lý mạch hệ thống phím ấn

55

3.9

Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối với máy tính

56

3.10

Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp USB

56

3.11

Sơ đồ nguyên lý hệ thống DAC

57

3.12

Mạch mở rộng số lượng vào ra số 8255

58

3.13

Ghép nối các tín hiệu vào - ra với trung tâm điều khiển

60

3.14

Sơ đồ ghép nối ngoại vi phía đầu ra

61

3.15

Sơ đồ ghép nối thiết bị ngoại vi chuyển đổi nguồn điện động
lực

3.16

Lưu đồ thuật toán hàm chính

62
63

xi


3.17

Lưu đồ thuật toán hàm tự động khởi động diesel khi lưới mất
điện

64

3.18

Lưu đồ thuật toán hàm báo động và bảo vệ diesel

65

3.19

Lưu đồ thuật toán hàm dừng diesel khi có điện áp lưới

66

3.20

Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển, giám sát

67

3.21

Sơ đồ mạch in lớp trước

68

3.22

Sơ đồ mạch in lớp sau

69

3.23

Sơ đồ bố trí các linh kiện trên mạch in

70

3.24

Hình ảnh thực mạch in của bộ điều khiển, giám sát

71

3.25

Lắp ráp các linh kiện mạch điều khiển, giám sát

71

3.26

Mạch điều khiển, giám sát kết nối với các thiết bị vào - ra

72

3.27

Bộ nguồn 12V cấp cho bộ điều khiển giám sát

72

3.28

Mạch điều khiển giám sát được lắp đặt hoàn chỉnh

73

xii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Sự phát triển công nghệ mới trong đóng tàu trên thế giới nói chung và ở
Việt Nam nói riêng rất mạnh mẽ, cùng với sự phát triển không ngừng của
khoa học, kỹ thuật đặc biệt trong lĩnh vực điện, điện tử, tin học và tự động
hoá [3], [9], [10], trong những năm gần đây đã làm tăng khả năng ứng dụng

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

1


năng lƣu trữ số lần khởi động máy, các sự cố phân tích chúng và đƣa ra các
cảnh báo để giúp ngƣời vận hành kịp thời bảo dƣỡng, sửa chữa nhằm tránh
các sự cố đáng tiếc có thể xảy ra. Tuy nhiên hầu hết các thiết bị lắp ráp trên
tàu nhƣ các tổ hợp máy móc và hệ thống điều khiển nói chung và trạm phát
điện sự cố nói riêng đều là các thiết bị nhập ngoại, từ các công ty nƣớc ngoài

giá thành cao, chƣa tận dụng nhiều khả năng nội địa hoá.
Vì những lý do trên đây mà việc nghiên cứu hệ thống điều khiển và bảo
vệ trạm phát điện sự cố tàu thuỷ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định,
đồng thời tăng tỷ lệ nội địa hoá, giảm giá thành sản phẩm là một việc cần
thiết, quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện sự cố tàu thuỷ và phù
hợp tình hình kinh tế kỹ thuật của nƣớc ta. Nếu chúng ta có thể xây dựng
đƣợc mô hình và có phần mềm riêng thì có thể tự chế tạo sản phẩm với giá
thành rẻ, số lƣợng lớn, từ đó ứng dụng vào thực tiễn sản xuất, học tập và
nghiên cứu. Đồng thời góp phần vào công cuộc hiện đại hoá ngành tàu biển,
đất nƣớc và mong muốn sử dụng một sản phẩm của chính ngƣời Việt Nam.
Xuất phát từ thực tế trên mà tác giả thực hiện đề tài: " Thiết kế kỹ thuật bộ
điều khiển, giám sát cho trạm phát điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển "
2. Mục đích của đề tài
Đề tài thành công sẽ đƣợc ứng dụng ngay vào việc chế tạo các bộ điều
khiển, giám sát trạm phát điện sự cố phục vụ đóng tàu trong nƣớc, ứng dụng
vào công tác thí nghiệm và thực hành trong giảng dạy của trƣờng Cao Đẳng
Hàng hải I. Ngoài ra đây sẽ là cơ sở để thực hiện các chƣơng trình nghiên cứu
tiếp theo để phát triển theo qui mô lớn hơn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là bộ điều khiển, giám sát trạm phát
điện sự cố tàu thủy sử dụng vi điều khiển.

2


Phạm vi nằm trong chƣơng trình nghiên cứu chung các khả năng ứng
dụng các thiết bị hiện đại cho trạm phát trong điều khiển giám sát, tự động
hóa tàu thủy:
- Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, chức năng các yêu cầu công nghệ
và yêu cầu điều khiển của hệ thống điều khiển, giám sát trạm phát điện sự cố

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

3


thống tự động điều khiển, điều chỉnh với qui mô lớn hơn trong tƣơng lai. Đề
tài thành công, nếu sản phẩm đƣợc cải tiến trở nên hoàn chỉnh thì việc đƣa kết
quả vào giảng dạy tại các trƣờng đại học, cao đẳng, trung học chuyên nghiệp
là rất cần thiết nó mang tính chất nghiên cứu ứng dụng khoa học. Xây dựng

mô hình, cấu trúc phù hợp, điều khiển, lập trình, thay đổi các tham số dễ dàng
và phù hợp theo yêu cầu công nghệ. Sử dụng các thiết bị đƣợc sản xuất trong
nƣớc có ý nghĩa về kinh tế rất lớn, góp phần chủ động trong sản xuất, giảm
giá thành sản phẩm, đồng thời không ngừng nâng cao trình độ chuyên môn và
dần thay thế các thiết bị ngoại nhập có tính năng tƣơng đƣơng.

4


CHƢƠNG 1. TRẠM PHÁT ĐIỆN SỰ CỐ TÀU THỦY
1.1. Giới thiệu chung về trạm phát sự cố trên tàu thủy
1.1.1. Giới thiệu chung
Trạm phát điện sự cố bao gồm một máy phát sự cố cấp điện tới Bảng
điện sự cố toàn bộ trạm phát sự cố đặt ở vị trí cao hơn boong chính của tàu,
động cơ lai máy phát sự cố là diesel, máy phát điện sự cố là một máy phát
xoay chiều đồng bộ 3 pha có cùng giá trị điện áp và tần số với các máy phát
chính, cấp điện lên bảng điện sự cố thông qua Áp tomat của máy phát sự
cố[1], [2].
1.1.2. Nhiệm vụ và chức năng của trạm phát sự cố trên tàu thủy
Ở chế độ công tác bình thƣờng thì máy phát sự cố không hoạt động và
thanh cái bảng điện sự cố đƣợc cấp điện từ bảng điện chính, khi Bảng điện
chính mất điện, thanh cái Bảng điện sự cố mất điện, máy phát sự cố tự động
khởi động và đóng điện lên thanh cái Bảng điện sự cố, từ Bảng điện sự cố
điện năng đƣợc cấp trực tiếp đến các phụ tải rất quan trọng mà không qua
Bảng điện chính. Giữa Áptomát từ bảng điện chính và Áptomát máy phát sự
cố có khóa liên động lẫn nhau, có nghĩa là máy phát sự cố và các máy phát
chính không thể công tác song song[1], [2].
1.1.3. Yêu cầu đối với trạm phát tàu thủy
Trên tàu thuỷ vấn đề an toàn cho con tàu, hàng hoá và tính mạng của
con ngƣời rất đƣợc quan tâm trong thiết kế. Khi con tàu không hoàn toàn chủ

động hoạt động đƣợc do trạm phát chính mất điện thì phải có một tổ máy phát
điện sự cố cung cấp điện năng cho các phụ tải quan trọng nhất.
Theo Qui phạm của Đăng Kiểm Việt Nam 2003 (TCVN 6259: 4-2003)
trạm phát sự cố phải thỏa mãn các yêu cầu
- Nguồn sự cố phải độc lập hoàn toàn với nguồn chính;
- Vị trí đặt. Các tổ máy phát điện sự cố và các thiết bị đi kèm phải đặt ở

5


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

3 pha

ACB 2

3 pha

ACB 1

3 pha
3 pha

ĐỘNG CƠ
SƠ CẤP

MÁY
PHÁT
ĐỒNG BỘ
3 PHA

BẢNG ĐIỆN CHÍNH
b

ĐIỀU KHIỂN

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

6


Nguồn năng lƣợng chính trong trạm phát sự cố là động cơ diesel tốc độ
thấp truyền động cho máy phát, ACB 1, 2 chuyển đổi nguồn điện từ bảng điện
chính và nguồn từ máy phát sự cố khi mất nguồn chính cấp điện đến bảng sự

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

7


thành điện năng. Để máy điện đồng bộ phát ra năng lƣợng điện xoay chiều
cần phải có hai yếu tố cơ bản. Nguồn sơ cấp để quay rô to máy phát và từ

trƣờng kích thích [1], [2].
- Nguồn năng lƣợng sơ cấp ta dùng động cơ diesel có tốc độ ổn định
đảm bảo tần số máy phát điện không đổi ngay cả khi không tải và có tải;
- Khi nguồn sơ cấp ban đầu đã đảm bảo nhƣng không có từ trƣờng biến
thiên, máy phát không thể phát ra điện năng. Từ trƣờng biến thiên ban đầu là
do từ dƣ của nam châm (ro to) sinh ra, khi ro to quay, từ dƣ quay và gây nên
một sức điện động biến thiên ở Stato, sinh ra dòng điện biến thiên liên tục
mạch ngoài. Một phần điện áp đƣợc chỉnh lƣu để làm điện áp kích từ cho máy
phát, quá trình tự kích cho đến khi điện áp ở các đầu cực máy phát đạt trị số
điện áp định mức.
Máy phát điện đồng bộ chia theo kết cấu roto gồm máy phát điện đồng
bộ cực ẩn; Máy phát điện đồng bộ cực lồi;
Máy phát điện đồng bộ chia theo phƣơng pháp cấp nguồn kích từ cho
dây quấn roto gồm Máy phát điên đồng bộ có chổi than; Máy phát điên đồng
bộ không có chổi than;
Hiện nay trên tàu thủy thƣờng sử dụng máy phát đồng bộ cực lồi, tốc
phù hợp tốc độ thấp của diesel và chủ yếu là máy đồng bộ không chổi than vì
những ƣu điểm vƣợt trội so với các loại máy phát đồng bộ khác.
1.2.3.2. Phương trình cân bằng và các quan hệ điện từ
a. Phản ứng phần ứng trong máy phát điện đồng bộ
Khi dây quấn ba pha của phần ứng đƣợc nối với phụ tải, trong dây quấn
này sẽ có dòng điện ba pha. Dòng điện này tạo nên một từ trƣờng quay 
đƣợc gọi là từ trƣờng của phần ứng. Từ trƣờng của phần ứng  quay đồng bộ
với từ trƣờng rôto o, tác dụng của  đối với o đƣợc gọi là phản ứng của phần
ứng. Tác dụng này phụ thuộc vào giá trị dòng điện Stato I và tính chất phụ tải

8


máy phát cấp điện.





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

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

của  lên o trong trƣờng hợp này đƣợc gọi là phản ứng phần ứng dọc trục
khử từ. Phản ứng này làm giảm từ thông của máy phát.




- Trƣờng hợp phụ tải thuần dung (hình1.2.c), I vƣợt trƣớc E 0 một góc


90o, lúc đó  cùng pha với I và o. Tác dụng của  lên o trong trƣờng hợp
này đƣợc gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ. Phản ứng này làm tăng từ
thông tổng của máy phát.

b,

IE 

a,

O



N

90

E



O

S

O



O

N

S



I

O

c,

E






O

N
I

EO

d,
S



N

q



I



S

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



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

Lúc đó ta có thê phân tích I thành hai thành phần. Thành phần dọc trục I d =
I.sin, tạo ra từ thông phần ứng dọc trục d ngƣợc chiều hoặc cùng chiều o

9


tùy theo phụ tải có tính chất điện cảm hay điện dung. Khi phụ tải có tính chất
điện cảm,  > 0, d ngƣợc chiều với o (h.1.2.d) làm giảm từ thông của máy
điện. Ngƣợc lại, khi phụ tải có tính chất điện dung,  < 0; d cùng chiều với
o và làm tăng từ trƣờng của máy điện. Thành phần thứ hai là thành phần
ngang trục Iq = I.cos tạo ra từ thông phản ứng ngang trục q vuông góc với
o. Tác dụng của q lên o làm méo dạng từ thông của máy.

b. Phƣơng trình của máy điện
Khi  bất kỳ thì khi đó dòng điện I phân tích thành 2 thành phần dọc
trục d và ngang trục q. Trong máy tồn tại 2 phản ứng phần ứng dọc trục và
ngang trục.
Quá trình điện từ xảy ra nhƣ sau
I kt

I

Fkt

kt

E0

Id

Fƣd

ƣd

Eƣd

Iq

Fƣq

ƣq

Eƣq

T

E

(1.3)

ET
IR

- Sơ đồ tƣơng đƣơng máy phát điện đồng bộ như hình 1.3
I

X ud

X uq

XT

R

Eud

Euq

ET

UR

E

E0

U

ZT

Hình 1.3. Sơ đồ tương đương máy phát điện đồng bộ ba pha.
- Phƣơng trình cân bằng:
.

.

.

.

.

.

U  E 0  E ud  Euq  E t  I .R

(1.4)

10


hay

.

.

.

.

.

.

E 0 = U + J I d . Xƣd + J I q Xƣq +J I Xt + I .R

(1.5)

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

.

.

E0

D
A

.

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

jIdXd

(1.6)

Theo phƣơng trình (1.6) ta lại có sơ đồ tƣơng đƣơng sau

Xd

I

Xq

Ed

C

Eq



jI qXq

U

E0

U

ZT

Iq
 

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

0

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



PZ
PZ   P

(1.7)

Trong đó: PZ là Công suất đầu ra của máy phát;  P là tổng Công suất
tổn hao trong máy.

11