Nghiên cứu ứng dụng hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu TT200 để xây dựng bài thực hành

LỜI CẢM ƠN
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế thế giới đã
đưa nước ta phát triển về nhiều mặt, đặc biệt trong đó ngành giao thông vận tải
đã có những đóng góp cực kì quan trọng cho nền kinh tế. Cùng với đường bộ,
đường sắt và đường không, vận tải đường thủy đã có những bước phát triển rất
lớn như tiếp nhận công nghệ đóng tàu hiện đại, mở mới nhiều cảng nước sâu để
đón những con tàu hàng chục vạn tấn vào cảng. Đặc biệt việc đào tạo thuyền
viên, kỹ sư giỏi có khả năng làm chủ những con tàu hiện đại đã có những bước
đi rất dài và vững chắc. Việc áp dụng những công nghệ tiên tiến, những công
nghệ mới có tính ứng dụng cao đã làm tăng hiệu quả khải thác của các con tàu
đồng thời làm giảm thiểu những hạn chế.
Trải qua 5 năm học tập và rèn luyện tại trường, em đã bước vào kì học
cuối cùng và làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian tốt nghiệp, em đã được học
và làm cùng các thầy trong Khoa Thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng
hệ thống cung cấp điện của tàu Cảnh sát biển TT200.
Sau đó, em đã được các thầy tin tưởng giao cho đề tài “Nghiên cứu ứng
dụng hệ thống mô phỏng bảng điện chính tàu TT200 để xây dựng bài thực
hành”. Nhờ sự tận tình dìu dắt, chỉ bảo của thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Minh
Quân và sự trợ giúp của các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử cùng với sự
chung sức của các bạn sinh viên, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình
Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn hẹp, kinh nghiệm còn ít nên
đề tài không tránh khỏi những thiết sót. Nên em rất mong nhận được sự góp ý
của các thầy, cô trong Khoa để đề tài của em được hoàn thiện.
Em xin chân thành cảm ơn !

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung và số liệu trong đề tài là của em tự thu thập và
nghiên cứu, không có sự sao chép lại của tác giả nào khác.

Hải Phòng, ngày 11 tháng 05 năm 2016
Sinh viên thực hiện:

Phạm Xuân Bách

2


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 5
1. Ý nghĩa của mô hình .................................................................................. 5
2. Đối tƣợng phục vụ ....................................................................................... 5
3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 5
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
BẢNG ĐIỆN CHÍNH ......................................................................................... 6
1.1 Trạm phát điện trên tàu thủy .................................................................. 6
1.2 Phân loại và thông số cơ bản của trạm phát điện trên tàu thủy........... 6
1.3 Giới thiệu chung về hệ thống mô phỏng bảng điện chính ..................... 8
1.3.1. Bảng điện chính ....................................................................................... 8
1.3.2. Thông số kỹ thuật của một số phần tử chính ....................................... 11
+ Thông số kỹ thuật của các đồng hồ .................................................. 11
+ Thông số kỹ thuật của một số cam điều khiển ................................. 13
+ Module đèn báo, nút ấn ..................................................................... 16
+ Màn hình cảm ứng HMI .................................................................... 18
1.3.3. Phân tích một số chức năng điều khiển chính trong trạm phát điện tàu
thủy ................................................................................................................. 22
Chƣơng 2. XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH TRÊN MÔ HÌNH MÔ
PHỎNG BẢNG ĐIỆN CHÍNH ........................................................................ 30
2.1 Chế độ điều khiển bằng tay .................................................................... 30
2.2 Chế độ điều khiển tự động...................................................................... 30

2.3 Thực hành các tính năng báo động, bảo vệ của bảng điện chính ....... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 39
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 40

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Hình 1.1

Sơ đồ 1 dây của hệ thống mô phỏng bảng điện chính

Hình 1.2
Hình 1.3

Tổng quan mặt trước các Panel hệ thống mô phỏng bảng
điện chính
Vônmet - Ampemet

Hình 1.4

Kích thước của Ammeters và Volmeters

Hình 1.5

Sơ đồ đi dây của Ammeters và Volmeters

Hình 1.6

Hình dáng tay cầm của các loại công tắc được sử dụng

Hình 1.7

Hình dáng và kích thước mặt trước

Hình 1.8

Kích thước cutout

Hình 1.9

Mạch điện của cam đo dòng điện và điện áp

Hình 1.10 Bản vẽ mạch in
Hình 1.11 Kích thước mạch in
Hình 1.12 Giao diện màn hình Menu
Hình 1.13 Giao diện màn hình giám sát máy phát
Hình 1.14 Giao diện màn hình giám sát vẽ đồ thị điện áp máy phát
theo thời gian
Hình 1.15 Giao diện màn hình giám sát lỗi
Hình 1.16 Thuật toán điều khiển khởi động, hoà đồng bộ bằng tay
Hình 1.17 Chức năng chuyển tải và dừng máy bằng tay
Hình 1.18 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng
Hình 1.19 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng
Hình 1.20 Thuật toán tự động cắt máy phát khi tải nhẹ
Hình 1.21 Thuật toán cắt ưu tiên

Hình 2.1

Giao diện màn hình chủ của máy tính giáo viên

Hình 2.2

Giao diện màn hình giám sát máy phát số 1

Hình 2.3

Giao diện màn hình tạo các tình huống giả định của Diesel Máy phát
Giao diện màn hình tạo các tín hiệu quá tải cho một số phụ
tải

Hình 2.4

4

Trang
9
9
11
12
13
13
14
15
16
17
18

19
20
21
21
22
24
25
26
28
29
34
34
35
35


MỞ ĐẦU
1. Ý nghĩa của mô hình:
Đối với một sinh viên thì ngoài việc học lí thuyết trên lớp là chưa đủ mà
quan trọng hơn đó là việc được khai thác, vận hành trạm phát điện khi công tác
thực tế trên tàu. Cụ thể hơn qua mô hình này, sinh viên được làm quen với các
tình huống giả định rất giống với thực tế để có thể xử lí nhanh chóng, hiệu quả
và đạt được yêu cầu đề ra của nhiệm vụ, công việc khi công tác trên tàu. Điều
này sẽ giúp các kỹ sư trẻ sau khi ra trường tích lũy được những bài học, kinh
nghiệm quý báu và có thể khai thác, vận hành tốt những thiết bị ngoài thực tế
mà không mất nhiều thời gian làm quen, tìm hiểu và nghiên cứu.
Hiện nay ở các trường đại học và cao đẳng trong cả nước ta đã có những
thiết bị phục vụ cho thực hành trên trạm phát điện tàu thủy. Tuy nhiên, những
trang thiết bị đó chưa đầy đủ cùng với những bài thực hành chưa thực sự bám
sát với thực tế.

Thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng hệ thống cung cấp điện của
tàu Cảnh sát biển TT200 được ra đời dựa trên những yếu cầu cấp thiết nói trên
nhằm phục vụ việc giảng dạy, học tập của Trung tâm huấn luyện Cảnh sát biển.
Vậy việc xây dựng các bài thực hành trên thiết bị mô phỏng này là rất quan
trọng, cần thiết và có ý nghĩa khoa học đối với công tác đào tạo sĩ quan điện.
2. Đối tƣợng phục vụ:
Giảng viên, sinh viên, kỹ sư đang học tập, nghiên cứu tại các trường đại
học, cao đẳng và các trung tâm huấn luyện thuyền viên mà cụ thể ở đây là Trung
tâm huấn luyện Cảnh sát biển.
3. Nội dung nghiên cứu:
Sơ lược về thiết bị mô phỏng bảng điện chính. Mô hình có thể coi là 1
trang bị tốt để học viên được học tập trực quan về các phần tử của bảng điện
chính. Qua đó có thể sửa chữa, khắc phục những sự cố hay lỗi nhỏ khi vận hành.
Các bài học được xây dựng sẵn giúp giáo viên chủ động đưa ra các tình
huống thực tế khi xảy ra sự cố khi vận hành thật để các học viên xử lí, làm quen.
Qua mô hình này, học viên sẽ được thực hành các bài tập, vận dụng lý thuyết đã
học để nắm vững chuyên môn cũng như tay nghề

5


CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH
MÔ PHỎNG BẢNG ĐIỆN CHÍNH
1.1 Trạm phát điện trên tàu thủy:
Trạm phát điện trên tàu thủy làm nhiệm vụ cung cấp truyền tải và phân bố
năng lượng điện năng cho các thiết bị điện.
Tất cả các thiết bị điện để vận hành một con tàu lớn hầu hết sử dụng
nguồn năng lượng điện, chính vì vậy điện năng đóng vai trò rết quan trọng quyết
định đến sự sống của những con tàu. Từ các thiết bị máy móc điện hang hải như:
vô tuyến, VHF, Rada, Máy đo độ sâu… đến các thiết bị buồn máy như: chiếu

sang, đốt nóng, máy lạnh..đều sử dụng năng lượng chung là năng lượng điện.
Do điều kiện làm việc trên tàu thủy rất khắc nghiệt do luôn phải chịu tác
động của môi trường như rung lắc, chênh lệch nhiệt độ khi tàu đi qua các vùng
biển khác nhau, độ ẩm, muối mặn… và nhiều điều kiện khác nên trạm phát điện
tàu thủy cần phải dảm bảo các yêu cầu cơ bản của các trạm bình thường mà còn
phải thỏa mãn thêm các yêu cầu sau:
-Phải có kết cấu đơn giản, chắc chắn, gọn nhẹ và chiếm ít diện tích lắp đặt.
-Hoạt động tin cậy, an toàn trong mọi điều kiện làm việc của tàu.
-Dễ dàng trong vận hành, khai thác và bảo dưỡng.
-Đảm bảo tính cơ động.
-Hiệu suất sử dụng cao.
-Tránh gây tiếng ồn và gây nhiễu cho RADIO.
1.2 Phân loại và thông số cơ bản của trạm phát điện tàu thủy:
Phân loại
-Phân loại theo công suất trạm phát
+Tổng công suất trạm phát nhỏ hơn 1500kw: Trạm phát có công suất nhỏ
+Tổng công suất trạm phát từ 1500 đến 5000KW: trạm phát có công suất
trung bình
+Tổng công suất trạm phát lớn hơn 5000kw: Trạm phát có công suất lớn
6


- Phân loại theo động cơ lai
+ Trạm phát DIEZEL: có động cơ lai là diesel
+ Trạm phát tuabin: có động cơ lai là tua bin nước, hơi..
+ Trạm phát hỗn hợp: lai với diesel và tuabin
- Phân loại theo dòng điện
+ Trạm phát một chiều: máy phát là máy phát một chiều
+ Trạm phát xoay chiều: máy phát là máy phát đồng bộ 3 pha
- Phân loại theo chức năng

+ Trạm phát điện chính: là trạm phát hoạt động thường xuyên, đảm bảo cung
cấp đủ năng lượng cho mội chế độ hoạt động của tàu.
+ Trạm phát sự cố: chỉ hoạt động khi tàu bị sự cố, máy chính không hoạt
động được.
Các thông số cơ bản
- Loại dòng điện
Trong các hệ thống tàu thủy cũng như điện bờ luôn sử dụng 2 loại
dòng điện là dòng xoay chiều và dòng một chiều.
- Cấp điện áp
Các cấp điện áp cơ bản: 110v, 220v, 380v, 440v
- Tần số của máy phát
Trên tàu thủy cũng như lưới điện quốc gia có 2 loại tần số:
+ Khối liên xô cũ và một số nước XHCN sử dụng dòng điện có tần số
50Hz
+ Khối tư bản sử dụng dòng điện có tần số 60hz
Khi tang tần số thì giảm được trọng lượng và kích thước do:
P=M.n
N=60f/P
M=F.d
P: công suất
M: momen quay
7


N: tốc độ quay
F: tần số
D: đường kính roto
-Công suất trạm phát
Thông thường trên tàu thủy công suất trạm phát tùy thuộc vào từng
loại tàu, cấp tàu, trọng tải, trang thiết bị trên tàu mà số lượng hay công

suất máy phát cũng thay đổi theo. Tuy vậy việc bố trí cũng như số lượng
các máy phát phải tuân thủ theo yêu cầu sau:
+Trạm phát phải cung cấp đầy đủ công suất cho các thiết bị điện trên tàu.
+Bắt buộc phải có trạm phát điện sự cố đặt trên mớn nước của tàu.
1.3 Giới thiệu hệ thống mô phỏng bảng điện chính:
1.3.1 Bảng điện chính:
Thiết bị mô phỏng bảng điện chính mô phỏng hệ thống cung cấp điện của
tàu Cảnh sát biển TT200. Hệ thống được xây dựng bao gồm 3 máy phát điện,
trong đó một máy phát (Máy phát số 3) được sử dụng khi tàu đỗ bến và trong
những trường hợp sự cố xảy ra với máy phát 1 và máy phát 2.
Trong hệ thống mô phỏng, mỗi máy phát là được mô phỏng lai bởi một
động cơ Diesel và có các thông số kỹ thuật giả lập như sau:
- 03 D/G (Diesel generator):
Điện áp: 380 V
Tần số: 50 Hz
Công suất: 100 KW
Cos  = 0,85
Tải của hệ thống mô phỏng được thể hiện bằng các MCCB cấp cho hệ
thống các phụ tải được đặt bên dưới của mỗi Panel.

8


D

D

D

G

G

G

~

~

~

BUS BARS 380 V 50Hz

PĐ 1

PĐ 2

Tải

Hình 1.1 Sơ đồ 1 dây của hệ thống mô phỏng bảng điện chính
Trên bảng điện chính của hệ thống mô phỏng có ba bảng điều khiển máy
phát, một bảng hòa đồng bộ và một bảng điện cấp nguồn 220V.

Hình 1.2 Tổng quan mặt trước các Panel hệ thống mô phỏng bảng điện chính
Trên bảng điện điều khiển của 3 máy phát (Panel 1, Panel 3, Panel 4) có
các phần tử chính như sau:
- Hệ thống các đồng hồ đo công suất, điện áp, dòng điện và tần số.
9

- Hệ thống các đèn báo (đèn báo chế độ điều khiển, đèn báo lỗi, đèn báo
trạng thái của ACB…).
- Hệ thống các nút ấn (nút ấn chọn chế độ tự động, bán tự động, nút ấn
đóng, mở ACB…).
- Hệ thống công tắc cam (công tắc chọn chế độ điều khiển, công tắc đèn
chiếu sáng tủ điện, công tắc chuyển pha đo điện áp).
- Màn hình cảm ứng HMI điều khiển và giám sát hệ thống.
- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải.
Panel số 2 là Panel hòa đồng bộ máy phát, trên panel này có một số phần
tử chính như sau:
- Đồng hồ đo điện trở cách điện, đồng hồ đo dòng điện.
- Hệ thống đèn tắt (gồm có 3 đèn).
- Đồng bộ kế.
- Hệ thống công tắc cam điều khiển (công tắc chọn máy phát hòa đồng
bộ, công tắc chuyển mạch đo dòng điện, công tắc bật - tắt đèn chiếu
sáng bảng điện).
- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải.
Panel số 5 là Panel cấp nguồn 220V, trên panel này bao gồm các phần tử
chính như sau:
- Hệ thống các đèn báo (đèn báo nguồn 220V, đèn báo chọn biến áp 1,
đèn báo chọn biến áp 2…)
- Đồng hồ đo điện áp, dòng điện, đồng hồ đo điện trở cách điện.
- Hệ thống các công tắc điều khiển.
- Hệ thống các MCCB cấp nguồn cho các phụ tải.

10


1.3.2 Thông số kỹ thuật của một số phần tử chính
+) Thông số kỹ thuật của các đồng hồ

Hình 1.3 Vônmet-Ampemet
Vônmet-Ampemet, Oát kế, Mega Ôm kế… được sử dụng trong hệ thống
có đặc tính và độ tin cậy cao, đuợc sản xuất trên dây chuyền công nghệ và
thiết bị hiện đại, đạt cấp chính xác 1.5 hoặc 2.5 theo tiêu chuẩn quốc tế IEC51.
Đây là các loại đồng hồ có cơ cấu đo điện từ kim chỉ. Đồng hồ đựơc bảo vệ
tránh hư hại trong điều kiện bất lợi bằng hệ thống dây tóc, chân kính, đầu đỉnh
và bộ phận cản dịu bằng nam châm vĩnh cửu.
Đế bằng nhựa PC gia cường bằng sợi thuỷ tinh có độ bền cách điện cao,
chịu nhiệt cao và chống cháy. Vỏ bằng nhựa ABS, cửa sổ bằng kính trong suốt.
Dưới đây là một số thông số kỹ thuật và kích thước của các loại đồng hồ
này.

11


Hình 1.4 Kích thước của Ammeters và
Volmeters
12


Hình 1.5 Sơ đồ đi dây của Ammeters và
Volmeters

+) Thông số kỹ thuật của một số cam điều khiển a. Thông số kỹ thuật của
Cam đo điện áp

Hình 1.6 Hình dáng tay cầm của các loại công tắc được sử dụng

13

Hình 1.7 Hình dáng và kích thước mặt trước

14


Hình 1.8 Kích thước cutout

15


Hình 1.9 Mạch điện của cam đo dòng điện và
điện áp

+) Module đèn báo, nút ấn
Module đèn báo, nút ấn được thiết kế đặt tại 3 Panel máy phát số 1, số 2
và số
3. Module này được trang bị một hệ thống các đèn báo và nút ấn theo tiêu
chuẩn công nghiệp, các vị trí đèn và nút ấn được bố trí khoa học và tiện
lợi giúp cho
người vận hành có thể dễ dàng thao tác.

16


Hình 1.10 Bản vẽ mạch in

17

Hình 1.11 Kích thước mạch in

+) Giới thiệu màn hình cảm ứng HMI:

18


Hình 1.12 Giao diện màn hình Menu
Mỗi một bảng điều khiển của máy phát có một màn hình hiển thị LCD
touch panel.
LCD touch panel là màn hình vừa hiển thị vừa nhận lệnh vào nhờ ấn nhẹ
ngón tay vào nút lệnh hiển thị trên màn hình.
Giao diện Menu bao gồm các nút ảo chính là những đường link đến các
giao diện màn hình khác như màn hình giám sát máy phát, màn hình giám sát
lỗi, các biểu đồ công suất, dòng điện, điện áp…

19


Hình 1.13 Giao diện màn hình giám sát máy phát

Dòng trên cùng là ngày giờ hệ thống.
Tiếp theo là dòng thông báo tổng công suất tiêu thụ trên lưới và điện áp
lưới cũng như tần số lưới.
Chọn máy chủ: Chọn máy 1 hoặc máy 2 sẽ là máy chủ khi hệ thống hoạt
động.
Các đèn báo chế động điều khiển là bằng tay hoặc tự động, chế độ điều
khiển tự động, bán tự động, các đèn báo diesel đang khởi động, dừng, đèn báo
tải nặng…

20


Hình 1.14 Giao diện màn hình giám vẽ đồ thị điện áp máy phát theo thời gian
Với đồ thị trên thì trục tung chính là trục điện áp (tương tự như vậy với
biểu đồ dòng điện và tần số), trục hoành là trục thời gian, bất kỳ sự thay đổi, dao
động nào của điện áp đều được vẽ và ghi lại.

Hình 1.15 Giao diện màn hình giám sát lỗi

21


Với giao diện màn hình trên, các thông số cảnh báo và báo động đều được
chỉ thị bằng các đèn báo, khi có lỗi xảy ra, đèn báo tương ứng sẽ sáng để báo
cho người vận hành biết.
1.3.3 Phân tích một số chức năng điều khiển chính trong trạm phát điện tàu
thủy
+) Chức năng điều khiển bằng tay
START

DC24V POWER

DC24V
POWER

YL

ACB

OPEN

RL

ENG START PB
[ON]

START INTERLOCK
NORMAL

AND

AND

ENG START
SIGNAL

LOW SPEED
DECTECT
GEN
RUN

WL

MODE SELECT SW
(MANUAL)

GL

NO

START FAIL

INTERRUPTION

YES

ACB INTERLOCK
NORMAL

AND
AND

BUS VOLT

YES
GOVERNOR CONT
SYNCHRO DETECT

NO
ACB INTERLOCK
NORMAL

AND

SYNCHROSCOPE SW
[SELECT]

ACB CONTROL SW
[CLOSE]

AND

ACB CONTROL SW
[CLOSE]

ACB CLOSE
ACB CLOSE
ACB
OPEN

RL

ACB
CLOSE

GL

FREQ CONTROL

LOAD SHARING &
FREQ CONTROL

POWER SUPPLY
BY SINGLE RUN

POWER SUPPLY
BY PARA RUN

END
END

Hình 1.16 Thuật toán điều khiển khởi động, hoà đồng bộ bằng tay

22

RL

ACB
OPEN

GL

ACB
CLOSE


Với chức năng này, khi muốn khởi động một tổ máy phát nào đó thì người
vận hành phải thực hiện tuần tự các bước bằng tay theo đúng quy trình đã được
quy định chung cũng như theo hướng dẫn của hãng sản xuất.
Khi máy phát đã khởi động thành công, để thực hiện hòa đồng bộ thì người
vận hành phải điều chỉnh điện áp, tần số và quan sát đồng bộ kế hoặc hệ thống
đèn tắt, đèn quay để đưa ra lệnh đóng mở Aptomat của máy phát muốn hòa lên
thanh cái.

23


START

GEN

RUN

YL

ACB
CLOSE

GL

MODE SELECT SW
[MANUAL]

POWER SUPPLY
BY PARA RUN

AND

LOAD SHIFTING &
FREQ CONTROL
NO
ACB CONTROL SW
[OPEN]

AND

FREQ CONTROL
(LOAD SHARING)

ACB OPEN
GL

ACB
CLOSE

RL

ACB
OPEN

POWER SUPPLY
BY SINGLE RUN
AND

END
ENG STOP SIGNAL
AND

ENG STOP

END

Hình 1.17 Chức năng chuyển tải và dừng máy bằng tay

24

ENG STOP PB
[ON]


Khi chế độ hoạt động của máy phát đang là chế độ bằng tay. Khi các máy

đang công tác song song, nếu muốn dừng máy nào thì người vận hành phải
chuyển tải của máy phát cần dừng đó sang những máy phát còn lại trước khi mở
ACB và dừng máy bằng tay.
+) Chức năng điều khiển tự động khởi động, tự động hòa động máy phát
lên lƣới
START

POWER SUPPLY

START INTERLOCK
NORMAL
MODE SELECT SW

DC24V POWER

MANUAL

AUTO

READY TO
START
HEAVY LOAD
DETECT

NO

NO

OVER CURRENT
DETECT

YES

YES

LCD

STAND BY CONDITION
NORMAL

MANUAL

MODE SELECT SW
AUTO

OR

LCD

1ST
STAND-BY

AND

ENGINE OF STAND-BY
GEN START SIGNAL

1ST
STAND-BY

LCD

G/E START
within delay

GEN
RUN

ACB
OPEN

10 SEC
PREF TRIP

YL

RL

YL

NO

READY TO
START

DC24V
POWER

AND

AND
YES

YL

NO

INTERRUPTION

OR

YES

RL

START FAIL

YL

ABNORMAL
RESET

GL

NO
VOLT BUILD-UP
(3SEC)

NO

YES

20 SEC

YL

ABNORMAL
RESET

YES
1

Hình 1.18 Thuật toán tự động khởi động khi tải nặng

25

INTERRUPTION