Nghiên cứu,phân tích trạm phát điện tàu 22500 tấn

LỜI CẢM ƠN
Sau 3 tháng làm tốt nghệp dƣới sự dẫn dắt tận tình, chu đáo của thầy
THs.Phan Đăng Đào, cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử và các bạn
sinh viên, cùng với sự nỗ lực của bản thân đến nay em đã hoàn thành đồ án tốt
nghiệp của mình. Bản đồ án của em đã hoàn thành đúng nội dung và thời gian
yêu cầu. Do trình độ và thời gian có hạn nên đề tài của em còn nhiều thiếu sót.
Vậy em rất mong đón nhận đƣợc sự chỉ dẫn và giúp đỡ của các thầy cô giáo
cùng toàn thể các bạn đồng nghiệp góp ý kiến để đồ án của em đƣợc hoàn thiện
hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo
THs.Phan Đăng Đào, các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện tử và bạn bè đã
giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn!
Hải phòng, tháng 5 năm 2016.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Tuấn

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đồ án “Nghiên cứu,phân tích trạm phát điện tàu
22500 tấn” là của riêng tôi.Mọi thông tin trong đồ án chƣa đƣợc đăng tải trên
bất kì tài liệu nào!

Hải phòng, tháng 5 năm 2016.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Tuấn

2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 2
LỜI MỞ DẦU ....................................................................................................... 5
CHƢƠNG 1 : MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO CÁC MÁY PHÁT
ĐIỆN TRÊN TÀU THỦY. ................................................................................................ 6
1.1/ Máy phát điện trên tàu thủy......................................................................................... 6
1.1.2/ Máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha không chổi than. .................................. 7
1.1.2.1/ Cấu trúc. ................................................................................................... 7
1.1.2.2/ Nguyên lý phát điện. .............................................................................. 10
1.2/ Ổn định điện áp cho các máy phát điện.................................................................... 15
1.2.1/ Khái niệm chung về ổn định điện áp. .................................................................... 15
1.2.2/ Các nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh điện áp cho các máy phát điện xoay
chiều. .................................................................................................................................. 18
1.3/ Phân tích hệ thống điều chỉnh điện áp cho máy phát điện tàu 22500 tấn. ............. 25
1.3.1/ Giới thiệu và phân tích các phần tử. ...................................................................... 25
1.3.1.1/ Giới thiệu.............................................................................................................. 25
1.3.1.2/ Các phần tử : ........................................................................................................ 26
1.3.2/ Qúa trình tự kích. .................................................................................................... 28
1.3.3/ Quá trình ổn định điện áp. ...................................................................................... 29
1.3.4/ Nhận xét , đánh giá về hệ thống điều chỉnh điện áp cho các máy phát............... 31
CHƢƠNG 2 : BẢNG ĐIỆN CHÍNH TRÊN TÀU 22500 TẤN .................................. 32
2.1/ Giới thiệu các phần tử trong bảng điện chính tàu 22500 tấn. ................................. 33
2.2/ Phân tích các hệ thống điều khiển trong bảng điện chính tàu 22500 tấn. .............. 39
2.2.1/ Các hệ thống đo : U , I , f , P ở tàu 22500 tấn. ...................................................... 39
2.2.2/ Mạch điều khiển đóng ngắt aptomat chính tàu 22500 tấn. .................................. 41
2.2.3/ Mạch điều khiển động cơ servo tàu 22500 tấn. .................................................... 42
3

2.2.4/ Mạch điều khiển điện bờ tàu 22500 tấn. ............................................................... 43
2.2.5/ Các mạch bảo vệ trong bảng điện chính của trạm phát điện tàu 22500 tấn........ 43
CHƢƠNG 3 : CÔNG TÁC SONG SONG VÀ PHÂN CHIA TẢI CỦA CÁC MÁY
PHÁT TRÊN TÀU 22500 TẤN...................................................................................... 47
3.1/ Khái quát chung về công tác song song giữa các máy phát điện............................ 47
3.1.1/ Tại sao phải công tác song song giữa các máy phát điện trên tàu thủy............... 47
3.1.2/ Yêu cầu và chức năng của vấn đề công tác song song giữa các máy phát. ........ 47
3.1.3/ Các điều kiện của hòa đồng bộ chính xác. ............................................................ 48
3.1.4/ Các phƣơng pháp kiểm tra các điều kiện hòa đồng bộ chính xác. ...................... 48
3.2/ Công tác song song của các máy phát trên tàu 22500 tấn....................................... 50
3.2.1/ Qúa trình hòa bằng tay............................................................................................ 50
3.2.2/ Qúa trình hòa tự động. ............................................................................................ 51
3.3/ Phân chia tải giữa các máy phát khi công tác song song trên tàu 22500 tấn. ........ 52
3.3.1/ Phân chia tải tác dụng giữa các máy phát công tác song song………………...38
3.3.2/ Phân chia tải phản tác dụng giữa các máy phát công tác song song. .................. 53
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 56
NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN .......................... 59
ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI PHẢN BIỆN ........................................................... 60

4


LỜI MỞ ĐẦU
Trong quá trình phát triển của nền kinh tế quốc dân, đi đôi với các lĩnh
vực nhƣ: công nghiệp, nông nghiệp… thì ngành giao thông vận tải biển cũng
chiếm một vị trí quan trọng ở mỗi quốc gia. Đó là mạch máu giao thông nối
liền các vùng kinh tế của một đất nƣớc và các nƣớc trên thế giới với nhau.Đất
nƣớc ta có bờ biển dài, trải dọc từ Bắc tới Nam, lại có nhiều sông ngòi. Đó là
điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của ngành vận tải biển. Mặc dù trong

thời điểm hiện tại, chúng ta đang khắc phục dần nền kinh tế bị suy thoái.
Nhƣng trong tƣơng lai không xa, ngành đóng tàu cũng nhƣ vận tải tàu biển sẽ
khôi phục lại thế mạnh vốn có của nó.Trong quá trình học tập và rèn luyện
tại khoa Điện-Điện tử tàu biển của trƣờng Đại học Hàng Hải, em rất vinh dự
và thấy rõ trách nhiệm của mình trong học tập cũng nhƣ việc phục vụ cho
ngành giao thông vận tải biển trong tƣơng lai. Sau khi học tập và rèn luyện
tại trƣờng cùng quá trình thực tập tại các nhà máy và đặc biệt là quá trình
thực tập tốt nghiệp tại nhà máy đóng tàu BẠCH ĐẰNG, em đƣợc khoa Điện Điện tử tàu biển giao cho đề tài thiết kế tốt nghiệp: Nghiên cứu , phân tích
trạm phát điện tàu 22500 tấn
Qua quá trình học tập và nỗ lực nghiên cứu của mình với sự hƣớng dẫn tận
tình của thầy giáo Phan Đăng Đào và các thầy cô khoa Điện – Điện Tử. Em đã
tìm hiểu và nghiên cứu để hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Mặc dù bản thân em đã cố gắng nhiều, đã đi tìm hiểu trong thực tế, với mong
muốn hoàn thành đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất. Song do hạn chế về
kiến thức và kinh nghiệm, nên trong quá trình thực hiện đề tài không tránh
khỏi những sai sót. Em mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp của các thầy cô
giáo trong khoa
Em xin chân thành cảm ơn !

5


CHƢƠNG 1 : MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO CÁC
MÁY PHÁT ĐIỆN TRÊN TÀU THỦY.
1.1/ Máy phát điện trên tàu thủy.
* Khái niệm.
Máy phát điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lƣợng khác thành năng lƣợng
điện dựa trên việc sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ và từ đó phân phối đến
các nơi tiêu thụ . Với mức độ điện khí hóa , tự động hóa ngày càng cao trên tàu
thủy nên vị trí và vai trò của máy phát điện trên tàu thủy là vô cùng quan trọng.

Nó quyết định sự an toàn và khả năng khai thác trong suốt quá trình hoạt động
của con tàu.
* Phân loại máy phát điện.
- Máy phát điện một chiều:
+ Máy phát kích từ song song(H1.1b) , kích từ độc lập (H1.1a).
+ Máy phát kích từ nối tiếp (H1.1c).
+ Máy phát kích từ hỗn hợp (H1.1d).

U

U

U

U

B1

B1

B2

a)

c)

b)

d)

Hình 1.1 Sơ đồ các loại máy điện một chiều
a) Máy phát kích từ độc lập

b) Máy phát kích từ song song

c) Máy phát kích từ nối tiếp

d) Máy phát kích từ hỗn hợp

6


* Nhận xét :
Trong những loại máy phát điện một chiều trên thì chỉ có loại máy phát điện một
chiều kích từ hỗn hợp là hay đƣợc sử dụng để làm máy phát trong các trạm phát
điện một chiều là chính . Còn các máy phát một chiều khác chỉ đƣợc sử dụng
trong các trƣờng hợp đặc biệt .
-Máy phát điện đồng bộ :
Máy phát điện đồng bộ là loại máy điện mà tôc độ quay của roto bằng với tốc độ
quay của từ trƣờng quay trong máy.
Ngƣời ta phân loại máy điện đòng bộ theo các dấu hiệu sau :
- Theo số pha :
+ Máy phát đồng bộ 1 pha
+ Máy phát đòng bộ 3 pha
- Theo công suất :
+ Máy phát đồng bộ công suất nhỏ
+ Máy phát đồng bộ công suất trung bình
+ Máy phát đồng bộ công suất lớn
- Theo cấu tạo :
+ Máy phát đồng bộ cực lồi

+ Máy phát đồng bộ cực ẩn
- Theo động cơ sơ cấp lai máy phát :
+ Điezen – MF
+ Tuốc bin – MF
- Theo phƣơng pháp cấp kích từ :
+ Máy phát đồng bộ có chổi than
+ Máy phát đồng bộ không chổi than
1.1.2/ Máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha không chổi than.
1.1.2.1/ Cấu trúc.
7


A

B

C

O
Stato

Roto

Hình 1.2 : Cấu tạo máy phát đồng bộ không chổi than
Máy phát điện không chổi than gồm những phần chính sau : thân Stator, lõi
Stator, cuộn dây Stator, lõi từ, cuộn dây kích từ, trục, ổ đỡ, bộ kích từ xoay
chiều, cầu chỉnh lƣu quay, … Không khí làm mát đƣợc đƣa và bởi quạt gió, quạt
này đƣợc lắp trên rôto phía chủ động, cắt ngang qua cửa thông gió và trên cạnh
không ăn khớp, nó thổi qua bề mặt lõi từ, và các cuộn dây; các ống dẫn khí
đƣợc bố trí trên thân Stator và lõi từ. Không khí nóng đƣợc đƣa ra ngoài máy

phát thông qua cửa thông gió trên cạnh ăn khớp. Bộ kích từ xoay chiều nhô ra
hoặc đƣợc gắn vào máy phát trên cạnh không có khớp trục. Bộ chỉnh lƣu quay
cũng đƣợc lắp vào cạnh đó để cấp dòng kích từ cho cuộn dây kích từ của máy
phát .
*Stator:
Thân Stator đƣợc cấu trúc bởi các tấm thép thƣờng, và đƣợc thiết kế để đảm bảo
độ bền và chống lại tác động do chạm chập điện. Lõi Stator đƣợc cấu tạo nhƣ
sau: đƣợc ghép bởi các tấm tôn silic có đặc tính từ tốt và đƣợc sơn cách điện với
nhau để tránh dòng xoáy, nó đƣợc đục lỗ và đƣợc đóng chặt vào chu vi phía
trong thân stator, đƣợc trang bị ống dẫn khí với khoảng cách đều giữa các cọc.
Lõi stator đƣợc đẩy vào và đƣợc xiết chặt bởi những chiếc kẹp làm bằng thép
thép.Cuộn dây stator đƣợc cấu tạo bằng dây điện với cấp cách điện là F và đƣợc
8


đặt vào các rãnh bên trong của lõi stator. Cuộn dây đặt và gắn chặt vào lõi stator
bằng những cái nêm đặc biệt, sau đó đƣợc tẩm sơn cách điện và sấy khô.
*Rotor:
Lõi từ đƣợc làm bằng những lớp mỏng vật liệu có điện kháng cực kỳ cao để dễ
tự thiết lập điện áp. Lõi từ đƣợc cán mỏng đó đƣợc lắp ráp vào trục(hoặc bộ
càng nhện) và đƣợc kẹp hai đầu bằng những cái kẹp rôto và còn dùng để bảo vệ
cuộn dây. Những cái rãnh mà lõi từ đƣợc đặt vào trong đƣợc tạo nên bởi một số
nhóm rãnh tƣơng ứng với số cực. Cực trung tâm hiển hiện giữa các nhóm rãnh.
Các thanh giảm chấn đƣợc dùng khi các máy phát hoạt động song song. Cuộn
dây kích từ đƣợc cấu tạo bởi dây điện có cấp cách điện loại F và đƣợc đặt vào
rãnh có lớp cách điện bằng vật liệu cách điện loại F. Các cuộn dây đƣợc đặt vào
các rãnh và đƣợc cố định chặt vào lõi từ bằng những cái nêm đặc biệt, sau đó
đƣợc tẩm sấy.Các đầu của cuộn dây đƣợc buộc bằng dây nhẹ hoặc băng dải đặc
biệt để không bị bung ra do lực li tâm. Trục đƣợc làm bằng thép rèn đặc biệt tốt,
có xét đến độ bền cơ học một cách cẩn thận. Đối với loại máy phát đƣợc nối trực

tiếp vào động cơ Diesel, thì phải chú ý đặc biệt tới việc đề phòng gãy trục do
dao động xoắn.
*Bộ kích từ xoay chiều:
Bộ kích từ xoay chiều thuộc loại phần ứng quay và đƣợc đặt ở cạnh không có
khớp trục của máy phát. Bộ kích từ xoay chiều này gồm các phần chính: thân
stator, lõi từ, cuộn dây kích từ, lõi phần ứng, cuộn dây phần ứng …
- Stator :
Thân stator đƣợc làm bằng gang và các tấm thép hàn và ít cacbon, đƣợc thiết
kế để có độ vững chắc và cƣờng độ tốt. Lõi từ đƣợc tạo nên bằng cách đặt các
lớp mỏng vật liệu có đặc tính từ tính tốt vào trong khung stator. Các rãnh của lõi
từ mà cuộn dây kích từ đƣợc đặt vào bên trong đƣợc cấu tạo bằng một số lƣợng
các nhóm rãnh tƣơng ứng với số lƣợng cực .
Cuộn dây kích từ đƣợc cấu tạo bằng dây điện có cấp cách điện F, đƣợc đặt trong
các rãnh đƣợc tạo nên dọc theo lề biên của lõi từ và đƣợc cách điện bằng loại vật
9


liệu cách điện đƣợc áp dụng. Cuộn dây đặt trong các rãnh này đƣợc đƣa vào cho
thấm phủ đủ sơn cách điện và sấy khô, và đƣợc cố định chặt vào lõi từ bằng
những cái nêm.
- Rotor:
Lõi phần ứng(lõi rotor) đƣợc cấu tạo nhƣ sau: Tấm thép silic có chất lƣợng
cao đƣợc phủ một lớp sơn cách điện để ngăn dòng xoáy đƣợc đục lỗ, các tấm
thép đƣợc đục lỗ này đƣợc ghép lên trục và đƣợc gắn chặt bằng tấm đáy. Cuộn
dây của phần ứng đƣợc cấu tạo bằng dây điện cấp cách điện loại F và đƣợc đặt
vào các rãnh đƣợc cách điện bằng vật liệu cách điện loại đƣợc áp dụng. Cuộn
dây đƣợc đặt trong các rãnh, đƣợc lắp ráp vào lõi phần ứng bằng những cái nêm
và tẩm sơn cách điện và sấy khô.
Các đầu dây đƣợc buộc bằng dây nhẹ hoặc một loại băng dải đặc biệt để tránh bị
bung ra do lực ly tâm.

*Bộ chỉnh lƣu quay:
Bộ chỉnh lƣu quay đƣợc gắn vào trục của máy phát. Hai tấm dẫn điện đƣợc gắn
vào ống lót của bộ chỉnh lƣu qua một tấm cách điện. Các tấm cách điện có chứa
bộ chỉnh lƣu cho từng pha, một điện trở Silistor để tránh quá áp và các chi tiết
khác. Các thành phần này đƣợc dùng để chỉnh lƣu nguồn điện áp 3 pha từ bộ
kích từ xoay chiều sau đó cấp dòng kích từ một chiều cho cuộn kích từ của máy
phát.
1.1.2.2/ Nguyên lý phát điện.

10


Hình 1.3 Mô hình máy phát điện đồng bộ
Xét mô hình máy phát đồng bộ đơn giản: Stato gồm 3 cuộn dây lệch nhau 120
độ trong không gian, roto cực lồi.
Khi mạch kích từ đƣợc cấp nguồn một chiều thì roto trở thành một nam châm
điện, tức là một từ trƣờng không đổi đƣợc tạo ra trên roto và khi roto quay với
tốc độ không đổi (nhờ máy lai)sẽ tạo thành một từ trƣờng quay, với tần số f =
n.p/60 ở đó n là tốc độ quay roto, p là số cặp cực của nam châm điện (Roto) .
Khi rôto quay, từ trƣờng đó sẽ cắt lên các thanh dẫn làm xuất hiện trong 3 cuộn
dây các sức điện động :
+ eA= Em.sin(.t)
+ eB= Em.sin(.t - 120o)
+ eC= Em.sin(.t – 240o)
Giá trị hiệu dụng sức điện động là : E = 4,44.f..Ktp.W

11


E

eA

eB

eC

t
O

Hình1.4 Sức điện động đƣợc tạo ra trên 3 cuộn dây
Stato
Dƣới tàu thuỷ tần số thƣờng là 50Hz hoặc 60Hz, và để cho máy phát làm việc
đƣợc đồng bộ thì số cặp cực của roto và stato phải bằng nhau.
Quay roto với tốc độ n = const thì trong roto tạo ra một từ trƣờng quay và tốc độ
quay của nó là n = 60.f/p, f là tần số biến thiên của từ trƣờng quay roto. Từ
trƣờng quay quét lên cuộn dây stato làm cảm ứng trên đó sức điện động là:
Ea = Em.sin  t.
Eb = Em.sin(  t - 120 o ).
Ec = Em.sin(  t + 120).
Nếu nối cuộn dây Stato với một tải 3 pha đối xứng thì trong cuộn dây phần ứng
(Stato) sẽ xuất hiện một hệ thống dòng ba pha i A, iB, iC là đối xứng, và trong
cuộn Stato lại tạo ra một từ trƣờng quay quay với tốc độ n 1 = 60.f1/p, f1 là tần số
dòng điện trong cuộn dây Stato. Nhƣ vậy, trong máy phát đồng bộ tồn tại 2 từ
trƣờng quay, quay cùng một tốc độ.
1.2.1.3/ Sơ đồ tƣơng đƣơng , phƣơng trình điện áp và đồ thị vectơ của máy
phát điện đồng bộ.
* Phƣơng trình điện áp : E = 4,44 . Kqd . f. W.kt
Trong đó :
- Kqd : Hệ số quấn dây của cuộn dây phần ứng.

- f : Tần số của máy phát f = n.P/60 ( n : tốc độ quay , P : số cặp cực )
12


- W : Số vòng dây của cuộn dây phần ứng
- kt : Từ thông kích từ.
+Khi máy phát không tải thì : E = U0
+Khi máy phát mang tải thì : U = E – I.Z
Trong đó : Z = R + J.X
+ R : Điện trở thuần của cuộn dây phần ứng máy phát
+ X : Trở kháng của cuộn dây phần ứng máy phát
+ I : Dòng điện tải
* Sơ đồ tƣơng đƣơng , đồ thị vectơ của máy phát đồng bộ.
+ Sơ đồ tƣơng đƣơng:
Quá trình điện từ:
- Khi máy phát không tải: trong cuộn kích từ có IKTKTEo .
- Khi máy phát có tải: cuộn phần ứng có IƢt Xt FƢƢ EƢ .
Trong đó: t là từ thông tản cuộn dây phần ứng. Xt là điện kháng tản.
Quá trình điện từ đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
IKT  FKT
FTH
IƢ FƢ

KT
TH
Ƣ

Eo
E
 EƢ

T Et
IƢ.R
Từ phân tích trên ta có sơ đồ tƣơng đƣơng:

13


Hình 1.5 Sơ đồ tƣơng
đƣơng của máy phát đồng
bộ cực ẩn chƣa bão hòa
Hình 1.6 Sơ đồ véc tơ của
máy phát đồng bộ cực ẩn
chƣa bão hòa

Trong đó : XƢ là điện kháng do Ƣ tạo nên.
Xt : Là điện kháng do t tạo nên .
R : Là điện trở thuần cuộn dây phần ứng .
EO: Sức điện động trong cuộn phần ứng .
- Khi máy chƣa bão hoà thì Eo = C.IKT , C = const .
- Khi f = const  Xt = const không phụ thuộc vào máy bão hoà hay không
bão hoà (vì t chỉ móc vòng qua khe khí) và giá trị dòng điện .
- Khi máy chƣa bão hoà thì XƢ = const. Khi đó : XƢ+ Xt = Xđb và Xđb đƣợc
gọi là điện kháng đồng bộ.
+ Phƣơng trình cơ bản:
Theo sơ đồ tƣơng đƣơng ta có:
U + UR= Eo + EƢ + Et
EƢ = - J. IƢ.XƢ

U = Eo – J.IƢ.Xđb – IƢ.R

Et = - J. IƢ. Xt

14


+ Đồ thị véc tơ.
Dựng véctơ U làm chuẩn, chậm sau véctơ U một góc  ta dựng véc tơ I, sau
đó lần lƣợt ta dựng các véc tơ -J.IƢ.Xt và -J.IƢ.XƢ .Từ các đầu mút của các..
véc tơ đó ta nối với điểm gốc ta đƣợc các véctơ E & Eo.
Nếu bỏ qua điển trở thuần của cuộn dây phần ứng R thì: U = Eo – J.Xđb.IƢ.
1.2/ Ổn định điện áp cho các máy phát điện.
1.2.1/ Khái niệm chung về ổn định điện áp.
* Tại sao cần phải ổn định điện áp.
Tất cả các thiết bị điện là phụ tải của các máy phát điện , hay các khí cụ ,
trang thiết bị điện trong các hệ thống năng lƣợng điện nói chung đều đƣợc chế
tạo để công tác với một điện áp nhất định ta gọi đó là điện áp định mức (Uđm).
Từ góc độ kinh tế , kỹ thuật , chất lƣợng khai thác , ….Khi công tác với điện áp
ổn định 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 và đem lại hiệu quả kinh tế nhất .
Chính vì vậy mọi sự quá giới hạn cho phép của điện áp đều gây ra sự công tác
không ổn định , không tin cậy của các thiết bị . Do vậy , vấn đề ổn định điện áp
cho máy phát là vấn đề rất quan trọng và không thể thiếu đƣợc trong các trạm
phát điện . Đặc biệt là trong các trạm phát điện trên tàu thủy.
* Các điều kiện tự kích của máy phát.
- Máy phát phải có từ dƣ đủ lớn (Edƣ = (2…5)%Uđm).
- Chiều kích từ trùng với chiều từ dƣ.
- Có tốc độ quay đạt định mức (nf = nđm ,Δn ≤ 5% nđm).
- Tổng trở trong mạch kích từ nhỏ hơn điện trở tới hạn ( Rkt< Rth).
* Các quy định của đăng kiểm về vấn đề ổn định điện áp cho các máy phát.

Do yêu cầu cao về độ tin cậy của các thiết bị điện tàu thuỷ đặc biệt là các
thiết bị điều khiển, kiểm tra, thông tin liên lạc, thiết bị dẫn đƣờng sử dụng vệ
tinh v.v. Nên yêu cầu về độ ổn định điện áp và tần số lƣới điện tàu thuỷ đƣợc các
hãng đăng kiểm quy định theo một số chỉ tiêu nhất định. Các chỉ tiêu có thể khác
15


nhau một vài điểm song những điểm cơ bản thì thƣờng giống nhau. Theo đăng
kiểm Việt Nam và một số hảng đăng kiểm khác nhƣ NK, BV, DNV … Điện áp
và tần số ở chế độ động và chế độ tĩnh của lƣới điện tàu thuỷ đã đƣợc quy định
nhƣ sau:
* Chế độ tĩnh:
Khi phụ tải thay đổi dần từ 0  Iđm, với Cos  đm tốc độ quay ổn định bằng tốc
độ quay đinh mức, sai số là 5% thì điện áp máy phát không đƣợc phép tác
động quá 2,5%Uđm.
Còn khi Cos  thay đổi từ 0,6 0,9 thì sự dao động điện áp máy phát không
đƣợc vƣợt quá  3,5%Uđm.
Thời gian quá độ của trạng thái nhận tải tĩnh tqđ =1,5 s.
* Chế độ động:
Khi tải thay đổi đột ngột (giả sử là tăng tải),điện áp máy phát giảm tức thời một
giá trị  U1 = (U0-U1), rồi tiếp tục giảm đến  U2 = (U0-U2).
+tđc : Thời gian điều chỉnh, tính từ khi UMF giảm tới khi hệ thống đã điều chỉnh
UMF trở về độ chính xác  3,5%. Giá trị tđc phải  1,5s.
Khi tải thay đổi đột ngột 60%Pđm và Cosφ < 0,4 thì sự dao động điện áp phải
nhỏ hơn (-15%  20%)Uđm.

Hình 1.7 Mô tả quá trình quá độ điện áp máy phát
16

* Các nguyên nhân gây ra dao động điện áp cho các máy phát .
Khi nói tới các nguyên nhân gây ra sự dao động điện áp của máy phát đồng bộ,
ta phải kể đến các nguyên nhân chính sau đây:
- Khi dòng tải của máy phát thay đổi:
Giả thiết rằng cos = const & n= const
It = var , dẫn đến điện áp máy phát thay đổi .
Fa

th

EF

It 

UF
U

It : Dòng tải máy phát.
U: Điện áp rơi trên tổng trở cuộn dây phần ứng.
Fa

: Sức điện động phản ứng phần ứng.

th: 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 .
- Khi tính chất tải thay đổi:
Giả thiết rằng It= const & n= const , cos = var -> điện áp máy phát thay đổi.
cos Fa  EF UF .
(Fa có nghĩa là giảm hoặc tăng tính khử từ của phản ứng phần ứng)

- Khi tốc độ thay đổi:
Giả thiết rằng It= const & cos = const , n=var -> điện áp máy phát thay đổi.
n EF  UF .
Trong đó n là tốc độ quay của máy phát.

17


- Khi nhiệt độ cuộn dây máy phát thay đổi cũng làm cho điện áp máy phát
thay đổi :
Rƣ

U

T0

UF 
RKT

I KT

Trong đó:
T0 : Nhiệt cuộn dây.
Rƣ : Điện trở thuần của cuộn dây phần ứng.
Rkt: Điện trở thuần của cuộn dây kích từ.
I kt: Dòng điện kích từ .
Ngoài những nguyên nhân cơ bản trên còn có một số nguyên nhân phụ nữa
cũng gây ra sự dao động điện áp của máy phát. Ví dụ: Điện trở tiếp xúc của chổi
than - vành trƣợt, … các nguyên nhân đó có ảnh hƣởng nhỏ nên không đáng kể.
Xuất phát từ thực tế công tác của máy phát đồng bộ trong trạm phát điện luôn

luôn bị tác động bởi các yếu tố nhƣ 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 trên tác
động làm cho điện áp của máy phát cấp cho các phụ tải không ổn định. Vì vậy
bất cứ máy phát đồng bộ nào cũng đều đƣợc trang bị hệ thống tự động điều
chỉnh điện áp, các hệ thống tự động điều chỉnh điện áp đƣợc chế tạo rất phong
phú và đa dạng. Tuy nhiên nếu dựa trên cơ sở tự động điều chỉnh thì các hệ
thống tự động điều chỉnh điện áp đều đƣợc xây dựng dựa trên 3 nguyên tắc đó là
điều chỉnh theo nhiễu loạn, điều chỉnh theo độ lệch và điều chỉnh kết hợp.
1.2.2/ Các nguyên lý xây dựng bộ điều chỉnh điện áp cho các máy phát điện
xoay chiều.
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp đƣợc thiết kế theo các nguyên tắc điều
khiển cơ bản. Đến nay, đã có thêm những nguyên lý hiện đại nhƣng với tự động
điều chỉnh điện áp thì nguyên lý kinh điển vẫn giữ nguyên giá trị và để hệ thống
đáp ứng những yêu cầu về chất lƣợng cao trong điều chỉnh, các nhà thiết kế đã
18


nghiên cứu và phát triển hệ thống ngày càng trở nên hoàn hảo hơn. Dấu hiệu
chính đặc trƣng cho một nguyên tắc điều chỉnh là thông tin cần thiết để tác động
điều khiển và cấu trúc đƣờng truyền tín hiệu trong hệ thống, nhận biết đƣợc các
dấu hiệu này là nhận biết ra hệ thống với những đặc điểm riêng trong nguyên lý
xây dựng.
* Nguyên lý điều chỉnh theo độ lệch:
Hệ thống điều chỉnh theo nhiễu có độ chính xác thấp, vì nó chỉ đáp ứng đƣợc
hai nguyên nhân gây ra sự thay đổi điện áp. Do đó để hệ thống có khả năng giữ
ổn định điện áp đƣợc với tất cả các nguyên nhân gây ra, ngƣời ta phải dựa vào
nguyên tắc điều chỉnh theo độ lệch .
Hệ thống điều chỉnh theo nguyên tắc độ lệch không cần quan tâm đến nguyên
nhân riêng nào, mà cứ thay đổi điện áp (so với giá trị điện áp định mức) là ngay
lập tức hệ thống sẽ có tín hiệu điều chỉnh dòng kích từ phù hợp, giữ cho điện áp

ra không đổi.
Nét đặc trƣng dễ nhận thấy nhất của nguyên lý là hệ thống bao giờ cũng sử
dụng mạch phản hồi với các thiết bị đo và biến đổi (nếu cần), tín hiệu phản hồi
đƣợc đƣa về so sánh với tín hiệu đặt để tạo nên tín hiệu điều khiển.
Hình 1.8 a Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.8 b Sơ đồ khối

u0
uf

ss
u
kd

G

G

kt
kt

19


Cấu trúc của hệ thống đơn giản ở trên giới thiệu sơ đồ nguyên lý 1.8a, sơ đồ
khối 1.8b. Dòng kích từ của máy phát đƣợc cấp từ phản hồi điện áp thông qua
khuyếch đại từ thực hiện Kđ và cầu chỉnh lƣu CL. Điện áp thực của máy phát
đƣợc đƣa tới phần tử SS để so sánh với điện áp chuẩn và phát tín hiệu điều
chỉnh. Tín hiệu đƣợc khuyếch đại qua khuyếch đại từ thực hiện Kđ để đƣa đến

chỉnh lƣu cấp dòng cho cuộn kích từ.
- Ƣu điểm :
Có độ chính xác tĩnh cao, dễ tự kích ban đầu. Cấu trúc hệ thống đơn giản, kích
thƣớc và trọng lƣợng nhỏ (nhất là các hệ thống bằng các linh kiện bán dẫn điện
tử thì rất nhỏ), độ chính xác điều chỉnh cao và tính chất điều chỉnh tốt.
- Nhƣợc điểm :
Bên cạnh những ƣu điểm đó, hệ thống còn có một nhƣợc điểm cơ bản đó là:
Tính chất ổn định kém. Nếu khởi động trực tiếp các động cơ có công suất lớn
gần bằng công suất của máy phát, hệ thống sẽ mất ổn định dẫn đến mất hoàn
toàn kích từ. Bởi vậy đối với những động cơ có công suất tƣơng đối lớn bắt buộc
phải áp dụng các phƣơng pháp khởi động làm giảm dòng khởi động.
* Nguyên lý điều khiển theo nhiễu.
Nguyên lý điều khiển theo bù trừ nhiễu là nguyên lý đƣợc xây dựng trong đó
tác động điều khiển đƣợc do kết quả đo nhiễu tác động vào đối tƣợng. Các hệ
thống khi đƣợc xây dựng theo nguyên lý này làm việc với mạch hở, không có
mối liên hệ ngƣợc (phản hồi) và cấu trúc hệ thống thƣờng đƣợc thiết kế có thiết
bị bù tạo tín hiệu tác động ngƣợc đấu với dấu của nhiễu tác động lên đối tƣợng.
Ƣu điểm của nguyên lý này là hệ thống tác động nhanh vì tác động gây nên sai
lệch đƣợc đo trực tiếp, nhƣợc điểm của nguyên lý này là không có khả năng khử
đƣợc tất cả các loại nhiễu vì làm nhƣ vậy phần tử đo sẽ rất nhều, taora một hệ
thống quá phức tạp.

20


- Hệ thống phức hợp dòng:
Một trong những hệ thống điều chỉnh điện áp theo nhiễu loạn là hệ thống
phức hợp dòng.
Sơ đồ nguyên lý:

bd

cl

mf

kt

Hình 1.9
Hệ thống phức hợp dòng có hai phản hồi chính, đó là phản hồi điện áp và
phản hồi dòng. Hệ thống phức hợp dòng là hệ thống mà tín hiệu dòng và tín hiệu
áp đƣợc cộng lại phía một chiều (sau chỉnh lƣu).
Với cấu trúc nhƣ vậy hệ thống chỉ có thể cảm biến đƣợc với sự thay đổi lớn
của dòng tải. Nói cách khác, hệ thống phức hợp dòng chỉ có khả năng giữ ổn
định điện áp của máy phát do một nguyên nhân thay đổi cƣờng độ dòng tải. Vì
vậy, hệ thống phức hợp dòng hầu nhƣ không đƣợc ứng dụng trên tàu thuỷ cũng
nhƣ trên đất liền cho các trạm phát điện.
- Hệ thống phức hợp pha:
Hệ thống phức hợp pha là hệ thống điều chỉnh điện áp theo hai nhiễu loạn
chính đó là dòng tải và tính chất của tải ( cos ). Hệ thống cũng có hai phản hồi
chính đó là: phản hồi điện áp và phản hồi dòng. Ta có thể định nghĩa hệ thống

21


phức hợp pha nhƣ sau: Hệ thống phức hợp pha là hệ thống mà tín hiệu dòng
đƣợc cộng pha với nhau (cộng phía xoay chiều, trƣớc chỉnh lƣu).
Hệ thống phức hợp pha có thể chia làm hai loại:
- Hệ thống phức hợp pha song song .
- Hệ thống phức hợp pha nối tiếp.

+ Hệ thống phức hợp pha song song:

ik t

a
C.c

ii
Xcc

bd

r
Vt.i

cl

u

mf
icc
kt

b

Hình 1.10 a Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.10 b Sơ đồ tƣơng đƣơng:

Hệ thống phức hợp pha song song là hệ thống phức hợp pha có tín hiệu dòng

và tín hiệu áp song song cấp cho cuộn kích từ (thực chất là cộng dòng phía xoay
chiều).
+ Hệ thống phức hợp pha nối tiếp:
Hệ thống phức hợp pha nối tiếp là hệ thống phức hợp pha có tín hiệu dòng và
tín hiệu áp cộng nối tiếp cấp cho cuộn kích từ (cộng áp).

22

z


a
xt

u

ii

i kt
Xt
bd

r

z

Vt.i

cl

mf
b
kt

Hình 1.11 a Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.11 b Sơ đồ tƣơng đƣơng:

Trong đó :
It = Vt.I : Dòng thứ cấp biến dòng .
Vt : Hệ số truyền đạt .
It : Dòng tải máy phát .
U : Điện áp máy phát .
Icc : Dòng đi qua cuộn cảm .
Ikt : Dòng kích từ .
Rz : Điện trở tƣơng đƣơng cuộn kích từ .
* Từ hai sơ đồ tƣơng đƣơng ta có thể lập phƣơng trình tính toán ra dòng kích từ :
Đối với hệ thống phức hợp pha song song :
U ab 

1
1
Vt .I  U .
J . Xcc  Ikt 
J . Xcc
1
1
1 
 1


 

J . Xcc Rz
 J . Xcc Rz 

Vt .I  U .

23


* Nguyên lý điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp:
Do mức độ điện khí hoá và tự động hoá trên tàu thuỷ ngày càng cao, nên việc
ứng dụng các phần tử điện tử vi mạch ngày càng nhiều. Đòi hỏi việc ổn định của
máy phát cao hơn. Để tận dụng những ƣu điểm của 2 nguyên lý: theo nhiễu và
theo độ lệch, ngƣời ta chế tạo đƣợc hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo
nguyên tắc kết hợp .
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc kết hợp có thể phân làm
hai loại:
+ 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 ngƣợc 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 từ phụ.

uo
uf

u

ss

tx

C.c
C.a
C.t .h

C.d

G
kt

Hình 1.12 a. Phức hợp pha và điều chỉnh theo độ lệch

24


+ Hệ thống phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch:
Kết hợp giữa phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch. Cầu chỉnh lƣu của tín
hiệu áp là Tiristor cho phép điều chỉnh đƣợc độ lớn của tín hiệu áp để điện áp
máy phát ổn định với bất cứ nguyên nhân nào gây ra dao động.

uo
uf

u

ss

tx

G
kt

Hình 1.12 b. Hệ thống phức hợp dòng và điều chỉnh theo độ lệch
 Ƣu điểm : Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp theo nguyên lý kết hợp nó
tận dụng đƣợc đầy đủ ƣu điểm của 2 phƣơng pháp trên và loại bỏ bớt
đƣợc các nhƣợc điểm mà 2 phƣơng pháp trên gặp phải.
 Nhƣợc điểm : + Hệ thống phức tạp hơn
+ Có độ tin cậy thấp hơn
+ Gía thành cao
1.3/ Phân tích hệ thống điều chỉnh điện áp cho máy phát điện tàu 22500 tấn.
1.3.1/ Giới thiệu và phân tích các phần tử.
1.3.1.1/ Giới thiệu.
Tất cả các thiết bị điện hay khí cụ điện trang bị trên tàu đều đƣợc chế tạo để
công tác với một giá trị điện áp nhất định gọi là giá trị điện áp định mức. Từ góc
độ kinh tế, kĩ thuật chất lƣợng khai thác thì khi công tác với điện áp ổn định
25