Máy phát điện tàu thủy

MỞ ĐẦU . Ngày nay năng lượng điện đã trở thành nguồn năng lượng chính của nền sản xuất hiện đại . Cuối thế kỷ 19 điện năng đã được đưa xuống tầu thuỷ . Đầu tiên nó được sử dụng vào việc chiếu sáng và quạt gió làm mát để phục vụ nhu cầu sinh hoạt của thuỷ thủ thuyền viện từ các ác qui và máy phát điện 1 chiều công suất nhỏ.Dần dần nó được ứng dụng trong các hệ thống bơm quạt gió ,máy nén , các hệ thống tời quấn dây, tời lái , neo , máy lái ....Cứ như vậy việc ứng dụng năng lượng điện trên tầu ngày càng được hiện đại hoávà phát triển với tốc độ ngày càng nhanh trên các đội tầu thế giới. Trên tầu thuỷ các hệ truyền động điện đóng 1 vai trò hết sức quan trọng so với các loại truyền động khác . Việc điện khí hoá , tự động hoá trên các con tầu là hết sức cần thiết . Thành phần các loại phụ tải điện không ngừng ngày càng nâng cao mở rộng về chủng loại cũng như về công suất .Do vậy nó đòi hỏi công suất của trạm phát cũng ngày càng tăng lên. Ngày nay các hệ thống điện năng trên tầu thuỷ không ngừng được phát triển và hoàn thiện .Từ việc tự động hoá từng phần trạm phát điện và các hệ thống điều khiển giám sát trên tầu cũng không ngừng phát triển .Các hệ thống điều khiển được ứng dụng công nghệ hiện đại : điện tử bán dẫn , vi xử lý , các bộ logo , các bộ khả lập trình PLC ... Ngoài ra một số hệ thống còn được kết nối giám sát mạng internet , điều khiển không dây...

MỞ ĐẦU

Ngày nay năng lượng điện đã trở thành nguồn năng lượng chính của nền sản xuất hiện đại

Cuối thế kỷ 19 điện năng đã được đưa xuống tầu thuỷ Đầu tiên nó được sử dụng vào việc chiếu sáng và quạt gió làm mát để phục vụ nhu cầu sinh hoạt của thuỷ thủ thuyền viện từ các ác qui và máy phát điện 1 chiều công suất nhỏ.Dần dần nó được ứng dụng trong các hệ thống bơm quạt gió ,máy nén , các hệ thống tời quấn dây, tời lái , neo , máy lái Cứ như vậy việc ứng dụng năng lượng điện trên tầu ngày càng được hiện đại hoávà phát triển với tốc độ ngày càng nhanh trên các đội tầu thế giới.

Trên tầu thuỷ các hệ truyền động điện đóng 1 vai trò hết sức quan trọng so với các loại truyền động khác Việc điện khí hoá , tự động hoá trên các con tầu là hết sức cần thiết Thành phần các loại phụ tải điện không ngừng ngày càng nâng cao mở rộng về chủng loại cũng như về công suất Do vậy nó đòi hỏi công suất của trạm phát cũng ngày càng tăng lên.

Ngày nay các hệ thống điện năng trên tầu thuỷ không ngừng được phát triển và hoàn thiện Từ việc

tự động hoá từng phần trạm phát điện và các hệ thống điều khiển giám sát trên tầu cũng không ngừng phát triển Các hệ thống điều khiển được ứng dụng công nghệ hiện đại : điện tử bán dẫn , vi

xử lý , các bộ logo , các bộ khả lập trình PLC Ngoài ra một số hệ thống còn được kết nối giám sát mạng internet , điều khiển không dây

Trong quá trình biên soạn bài giảng chi tiết cho môn học trạm phát điện này chắc không tránh khỏi các sai sót mong các bạn góp ý kiến để bổ xung cho bài giảng được đầy đủ và hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 1:

MÁY PHÁT ĐIỆN TÀU THUỶ

§1.1 Máy phát điện một chiều

I)Phân loại máy phát điện 1 chiều.

Gồm có 3 loại máy phát 1 chiều chính sau:

+ Máy phát 1 chiều kích từ độc lập hoặc song song

+ Máy phát 1 chiều kích từ nối tiếp

+ Máy phát 1 chiều kích từ hỗn hợp

* Ghi chú : Trong 3 loại máy phát 1 chiều trên thì chỉ có loại máy phát 1 chiều kích từ hỗn hợp là hayđược sử dụng để làm máy phát trong các trạm phát điện 1 chiều là chính còn các loại máy phát 1chiều khác chỉ sử dụng trong các trường hợp đặc biệt

II) Các thông số chính của máy phát 1 chiều

Máy phát điện một chiều được xác định bằng các thông số cơ bản sau:

Công suất lớn nhất của máy phát điện một chiều được chế tạo không vượt quá 10MW, và điện ápđịnh mức thường là 120V, 220V, 440V, 500V và 1000V.

Khe khí của máy phát điện một chiều thường tương đối lớn có thể đạt tới một vài mm (đối với cực

từ chính) và một vài cm (đối với cực phụ)

Các tính chất của máy phát điện một chiều được xác định nhờ các đặc tính và các đặc tính lại đượcxác định nhờ các thông số đã giới thiệu ở trên Máy phát điện một chiều công tác với tốc độ không đổi, đó

là thông số từ phía ngoài tác động, nến tất cả các đặc tính của máy phát một chiều được thực hiện vớin=const

III)Các đặc tính cơ bản của máy phát điện một chiều là:

I kt = f( It ) Khi n = const , U = const

IV) Máy phát một chiều kích từ song song

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát kích từ song song.

* Các điều kiện tự kích thích của máy phát một chiều:

- Máy phát có từ dư đảm bảo đủ lớn

- Chiều quay của máy phát phải đúng chiều nf = nđm

- Cuộn kích từ phải được đấu đúng cực

ktI

HB

DI

I

+ _

URkt = Rkt .Ikt = cIkt là đường thẳng URkt đi qua gốc toạ độ

- Nếu ta tăng Rkt lớn hơn thì đặc tính URkt = f(Ikt) càng dốc hơn và điện áp trên trụ ra của máy phát

sẽ ở các điểm 1, 2, 3, 3’, 4 tương ứng với Rkt ta chỉnh

Đặc tính ngoài của máy phát kích từ song song là mối quan hệ giữa điện áp trên trụ đấu dây củamáy phát và dòng tải I (chứ không phải dòng chạy trong phần ứng) vì:

I = (Ipứ - Ikt)

U = f(I) với Rkt = const; n = const

Ở đây ta không viết Ikt = const vì khi nhận tải U giảm nên Ikt của máy phát cũng giảm mặc dù Rkt

vẫn không đổi

Sự thay đổi điện áp của máy phát kích từ song song

Hình 1.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở

trong mạch kích từ tới quá trình tự kích

Hình 1.3 Đặc tính ngoài máy phát, kích từ song song.

z

I IT I1 I6

2 đm

I =I I5I3

4 max

I =It

I = 1I

U6U

T

U = f(I) với n = const R = constkt1

5

Uo

UoU

0I

U U = f(I) với n = const

R = const

kt kt1

V ) Máy phát một chiều kích từ hỗn hợp

- Là máy phát một chiều tự kích, có hai cuộn kích từ, cuộn kích từ nối tiếp và cuộn kích từ songsong Hai cuộn kích từ này ta có thể đấu để sức từ động (stđ) của chúng sinh ra cùng chiều với nhau hoặcngược chiều với nhau Trường hợp khi đấu hai cuộn kích từ cho stđ cùng chiều với nhau ta sẽ nhận đượcđặc tính ngoài có dạng như hình … và khi đấu hai cuộn kích từ cho stđ ngược chiều nhau ta sẽ nhận đượcđặc tính ngoài có dạng như hình… :

Hình 1.10 Máy phát có hai cuộn kích từ đấu thuận nhau.

Hình vẽ 1.5 Hình vẽ : 1.6

Trường hợp như hình 1.10 điện áp máy phát rất ít thay đổi phụ thuộc vào dòng tải của máy phát và

có thể còn tăng lên cùng với sự gia tăng tải Như vậy sự thay đổi điện áp của máy phát có thể bằng 0 hoặcthậm chí còn âm trong quá trình máy phát nhận tải Trường hợp như hình sự thay đổi điện áp của máyphát quá lớn, còn lớn hơn cả sự thay đổi điện áp của máy phát kích từ song song

Để tiện so sánh sự thay đổi điện áp của các loại máy phát một chiều ta hãy vẽ các đặc tính ngoàicủa chúng trên cùng hệ trục toạ độ như hình dưới

tIG

wIH

B

DI

S n

tI

Máy phát kích

từ song song

Qua các nhận xét ở trên ta thấy sự ổn định điện áp của máy phát một chiều kích từ hỗn hợp là rất tốt, đápứng được yêu cầu ổn định điện áp do Đăng kiểm quy định và phù hợp với điều kiện công tác trên tàuthuỷ Do vậy máy phát một chiều kích từ hỗn hợp là loại máy phát duy nhất trang bị cho các trạm phátmột chiều trên tàu thủy.

Hình 1.7 Máy phát kích từ có hai cuộn kích từ đấu ngược nhau

Hình 1.12 So sánh đặc tính ngoài của các máy phát một chiều.

Hình vẽ : 1.8

§ 1.2 Máy phát điện đồng bộ ba pha

1 Khái niệm chung

- Hầu như trên tất cả các trạm phát điện tàu thuỷ dòng xoay chiều đều được lắp đặt máy phát đồng bộ bapha

- Máy phát đồng bộ là loại máy mà phần cảm (phần kích từ) được cấp dòng một chiều Còn phần ứng có

từ trường quay với tốc độ đứng bằng tốc độ quay của từ trường kích từ

H

G

bI

I

ktRa)

1

12

35

4

1- Máy phát kích từ độc lập 3- Hỗn hợp đấu thuận 5- Máy phát kích từ nối tiếp

- Máy phát đồng bộ có các loại 3 pha hoặc một pha Điện áp có từ thấp nhất từ 6V đến 20KV Vai tròphần ứng và phần cảm có thể thay đổi nằm ở phần quay hay phần tĩnh Công suất mạch kích từ nhỏ,thường không vượt quá 1% công suất định mức máy Điện áp mạch kích từ khoảng từ 100V  300V.

- Trên tầu thuỷ hiện nay thường dùng 2 loại máy phát điện xoay chiều đồng bộ 3 pha là :

+ Máy phát đồng bộ xoay chiều có chổi than

+ Máy phát đồng bộ xoay chiều không chổi than

2)Loại máy phát có chổi than :

5- Máy kích từ

Hình vẽ :1.9

* Các loại tổn hao trong máy phát đồng bộ gồm:

- Tổn hao cơ khí (ma sát + quạt gió) Pm  (1  1,5)%Pm

- Tổn hao trong lõi thép: PFe  (0,5  1)%Pđm

- Tổn hao trong cuộn phần ứng: PCu  (0,3  0,8)%Pđm

- Tổn hao kích từ: Pkt  0,3% Pđm

Bảng định mức của máy phát đồng bộ thường cho các thông số sau:

- Điện áp định mức của máy phát: Uđm(V)

- Công suất biểu kiến định mức: Sđm (hoặc Pđm)(KVA)

- Cách đấu cuộn dây phần ứng v.v

Công suất của máy phát đồng bộ và máy bù đồng bộ thường cho bằng công suất biểu kiến (KVA)hay (MVA) nhằm xác định giới hạn tải xuất phát từ vấn đề phát nhiệt của cuộn dây phần ứng

Nếu trên bảng định mức máy phát người ra cho rằng công suất P (KW hay MW) thì có nghĩa xuấtphát từ sự giới hạn công suất của động cơ sơ cấp

_ +

42

1

+

_

S T R

34

Vấn đề phát nhiệt của máy phát không phải do hệ số công suất quyết định Nhưng cần thiết phảicho hệ số cosđm vì lý do xác định giới hạn dòng kích từ của máy phát.

Ví dụ: Cho cosđm = 0,8 Có nghĩa là nếu máy phát chịu tải với Iđm mà lúc đó cos < cosđm là điềukhông cho phép vì lúc đó hệ thống tự động điều chỉnh điện áp sẽ phải điều chỉnh cho Ikt > Iktđm mới có thểgiữ ổn định điện áp của máy phát

Máy phát đồng bộ được phân loại như sau:

- Máy phát đồng bộ cực hiện bão hòa

- Máy phát đồng bộ cực ẩn bão hoà

- Máy phát đồng bộ cực ẩn không bão hòa

Tất cả các máy phát được lắp đặt trong trạm phát điện tàu thuỷ dòng xoay chiều 3 pha đều là cácmáy phát không bão hòa Còn các máy bão hòa chỉ sử dụng ví dụ như máy phát tốc độ v.v

Máy phát đồng bộ không bão hòa cực hiện chỉ dùng với những máy diesel thấp tốc Còn máykhông bão hoà cực ẩn thì thường dùng với các loại diesel cao tốc hoặc các loại tuốc bin

3) Máy phát đồng bộ không chổi than

a) Những vấn đề cơ bản về máy phát điện xoay chiều không chổi than

Ngày nay máy phát điện đồng bộ không chổi than đã và đang được trang bị hầu hết trên các độitàu biển Loại máy này có kích thước và trọng lượng rất gọn nhẹ, hoạt động độ tin cậy và ổn định Mặtkhác, do không có chổi than nên đã giảm thiểu về yêu cầu vệ sinh, bảo dưỡng và sửa chữa và ít bị hỏnghóc

* Những đại lượng và thông số định mức của các máy phát điện

Máy phát điện đồng bộ nói chung, và máy phát điện đồng bộ tàu thuỷ nói riêng thường khi xuấtxưởng nhà chế tạo bao giờ cũng cấp cho người sử dụng các đại lượng và thông số được ghi trên katalog(lí lịch máy) Các đại lượng này có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình 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 sửachữa, khắc phục sự cố

- Cấp cách điện:

* Các thông số của máy phát chính cụ thẻ trên 1 tầu

Tàu Mỹ Hưng gồm hai máy phát điện đồng bộ không chổi than do hãng TAIYO sản xuất Được bố trí

ở hai bên mạn tàu và đặt tại buồng máy để thuận tiện trong quá trình vận hành và khai thác Hai máyphát có cùng series với các thông số như sau:

- Hãng sản xuất : TAIYO ELECTRIC CO.LTD

* Thông số của máy phát sự cố.

- Hãng sản xuất: TAIYO ELECTRIC CO.LTD

b) Cấu tạo của máy phát điện đồng bộ không chổi than

* Cấu trúc chung máy phát điện đồng bộ không chổi than.

1) Phần tĩnh ( STATOR)

+ Phần mạch từ: Được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện dạng hình trụ rỗng

+ Cuộn dây : Bên trong phần mạch từ có phay các rãnh để đặt cuộn dây 3 pha phần ứng Ngoài ra trên STATOR của máy phát không chổi than còn có cuộn dây kích từ của máy phát kích từ ( Là phần cảm của máy phát kích từ).

2) Phần quay(ROTOR): gồm có các phần chính sau:

+ Phần mạch từ: Được ghép bởi các lá thếp kỹ thuật điện.

+ Phần cuộn dây kích từ cho máy phát chính ( còn gọi là phần cảm)

+ Phần Điốt quay : có 6 Đi ốt

+ Cuộn dây 3 pha của máy phát kích từ ( Còn được gọi là phần ứng của máy phát kích từ F )

Hình vẽ.1 10 : Cấu trúc chung máy phát đồng bộ không chổi than hãng TAIYO.

- Máy phát đồng bộ.(G)

- Máy phát kích từ xoay chiều.(F)

- Cầu chỉnh lưu 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 bộchỉnh lưu quay để cấp cho cuộn kích từ chính máy phát

c) Phương trình điện áp của máy phát xoay chiều đồng bộ

( n : là tốc độ quay , P là số cặp cực )

W là số vòng dây của cuộn dây phần ứng

Фkt là từ thông kích từ

Khi máy phát không tải thì : E = U0

+ Khi máy phát mang tải :

1 Cấu tạo chi tiết máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ không chổi than của hãng TAIYO được lắp đặt trên tàu Mỹ Hưng có cấutrúc gồm các bộ phận chính sau:

Khung stator, cuộn dây stator, mạch từ rotor, cuộn dây kích từ, trụ đỡ, ổ đỡ, máy phát kích từ, bộchỉnh lưu quay và các phụ kiện khác

a) Stator

- Staor 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 cáctấm thép lá kỹ thuật điện, được phủ một lớp vật liệu cách điện (vecni), sau đó xếp lại với nhau sao chocác lớp trùng khít lên nhau Cuối cùng chúng được ép chặt 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 cáchđiện giữa dây quấn và lõi thép là các tấm cách điện Khi cuộn dây đã được đặt vào các rãnh Stator vàđược nêm chặt bằng các nêm chế tạo từ vật liệu cách điện (như : gỗ phíp hay các loại vật liệu cách điệnkhác).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 lá 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 mátbằng không khí, ngoài ra còn được tạo rãnh (ở chu vi ngoài) để đặt các cuộn dây Tất cả các tấm thépđược ép chặt với nhau và lắp vào trục, sau đó được chốt giữa hai đầu bằng các chốt đặc biệt

- Dây quấn của rotor được làm bằng đồng, cùng loại với dây quấn Stator và được đặt vào các rãnh củamạch 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 lưuquay, đặt về phía đầu máy kích từ để tiện cho việc kiểm tra và sửa chữa Bộ chỉnh lưu đặt trên hai vòngtản nhiệt, trên đó còn có một bộ varistor có tác dụng bảo vệ cho bộ chỉnh lưu Nguồn cấp cho bộ chỉnhlưu này được lấy từ máy phát kích từ, dòng sau chỉnh lưu là dòng một chiều cấp cho cuộn kích từ củamáy 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 lõisắt stator Phía đầu vỏ máy được thiết kế hai cửa sổ làm mát cho máy khi vận hành, ngoài ra còn thuậntiện trong quá trình kiểm tra và bảo dưỡng máy phát Mặt khác vỏ máy còn làm nhiệm vụ bảo vệ máy vàđặt 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 tử cơ bản sau:

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

+ Stato của máy kích từ.

- Khung staor là hợp kim gang và thép được đúc thành những tấm sau đó được hàn với nhau đảm bảođược sức bền và độ cứng hợp lý Lõi Stator được làm từ các tấm thép mỏng có đặc tính từ hoá tốt xếp lạivới nhau và được đặt vào khung Stator Mặt trong của lõi Stator được chế tạo thành rãnh để đặt dây quấnkhi đã lót cách điện (dây quấn cùng loại với dây quấn của Stator máy phát chính) sau đó các đầu dây cònlại được bó chặt với nhau Cuộn dây trên Stator của máy phát kích từ được đặt cuộn dây kích từ (Phầncảm)

* Roto 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 đượcphủ vecni cách điện và được khoan lỗ làm mát Các lá thép được ép chặt với nhau và được cố định trêntrục của máy phát chính

- Cuộn dây phần ứng được làm bằng đồng và cùng loại với cuộn dây phần ứng của máy phát chính Cuộndây được cố định trong các rãnh bằng các nêm chế tạo từ vật liệu cách điện, các đầu dây được bó chặt đểtránh tác dụng của lực ly tâm

- Đầu ra của cuộn dây phần ứng máy phát kích từ được nối qua cầu chỉnh lưu 3 pha quay ở rô to của máyphát Tín hiệu ra ở cầu chỉnh lưu quay được cấp trực tiếp cho cuộn dây kích từ chính của máy phát ( Như hình vẽ)

e) Thiết bị sấy.

-Trong quá trình vận hành và khai thác bản thân máy phát đã phát ra nhiệt góp phần làm giảm độ ẩmcủa máy phát nhưng khi máy ngừng hoạt động máy phát 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 tới gây nên dòng rò trong quá trình làmviệc và có nguy cơ lớp cách điện bị đánh thủng khi có xung điện áp cao Vì vậy, trên máy được trang mộtthiết bị sấy để giữ cho nhiệt độ của máy phát lớn hơn nhiệt độ môi trường, làm tăng điện trở cách điệnđảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và làm giảm trở kháng trong các cuộn dây, đảm bảo khả năng tự kíchtốt

- 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 hoặc trước khi đưa các tổ hợp Diesel laimáy phát vào hoạt động, người ta phải tiến hành sấy cho máy phát Công tắc SHS (Space Heater Switch)cấp nguồn cho rơle 188H (288H) thông qua tiếp điểm thường đóng 125B của Aptomat ACB (Air CircuitBreaker) 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 rơle 125B/S21 (125B/S22) cũng có điện, rơlenày hoạt động mở tiếp điểm 125B/S21 (125B/S22) làm cho rơle 188H (288H) mất điện, mở tiếp điểm cắtnguồn sấy ra khỏi mạch và đèn OL tắt báo mạch sấy ngừng hoạt động

Hình vẽ 1.11 : Space Heater Circuit

188H

1 52B S21

SH1 SH2

SH3

SHS 21