Điện tàu thủy đại cương

Giáo trình điện tàu thủy đại cương, ĐHGTVT TP Hồ Chí Minh, Tài liệ dành cho các lớp TN, HH, VT, CN... Tài liệu được biên soạn và lưu hành nội bô. Trạm phát điện tầu thuỷ làm nhiệm vụ cung cấp, truyền và phân bố năng lượng điện cho các thiết bị dùng điện. Tất cả các thiết bị để vận hành một con tàu phần lớn đều sử dụng nguồn năng lượng điện, vì vậy năng lượng điện đóng vai trò rất quan trọng quyết định cho sự sống còn của con tàu. Từ các máy móc điện hàng hải như: Vô tuyến, VHF, Rada, Máy đo sâu… đến các thiết bị buồng máy như: Các loại bơm, máy lọc, máy Phân ly, động cơ Diezel … và cả các thiết bị phục vụ cho con người như: Chiếu sáng, đốt nóng, Máy lạnh… đều sử dụng chung một nguồn năng lượng, đó là nguồn năng lượng điện. Sở dĩ có điều này là do nguồn năng lượng điện có nhiều ưu thế hơn các nguồn năng lượng khác ở chỗ: Dễ tạo ra từ các nguồn năng lượng khác cũng như có thể biến đổi từ năng lượng điện sang các dạng năng lượng một cách đơn giản và thuận tiện. Năng lượng điện có thể dễ dàng tập trung, truyền tải cũng như phân bổ trong toàn bộ hệ thống. Các thiết bị điện hoạt động tin cậy, tuổi thọ cao, không gây tiếng ồn, dễ dàng trong vận hành, khai thác, bảo dưỡng hệ thống. Các thiết bị vô tuyến, thông tin liên lạc phải sử dụng đến năng lượng điện. Năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường. Ngày nay một số dạng năng lượng khác cũng đã được đưa vào sử dụng như năng lượng mặt trời, năng lượng nguyên tử nhưng không phổ biến do còn nhiều hạn chế.

PHẦN 1 : TRẠM PHÁT ĐIỆN. Chương 1: Trạm phát điện tầu thuỷ. §1. Khái niệm chung. 1.1. Khái niệm: Trạm phát điện tầu thuỷ làm nhiệm vụ cung cấp, truyền và phân bố năng lượng điện cho các thiết bò dùng điện. Tất cả các thiết bò để vận hành một con tàu phần lớn đều sử dụng nguồn năng lượng điện, vì vậy năng lượng điện đóng vai trò rất quan trọng quyết đònh cho sự sống còn của con tàu. Từ các máy móc điện hàng hải như: Vô tuyến, VHF, Rada, Máy đo sâu… đến các thiết bò buồng máy như: Các loại bơm, máy lọc, máy Phân ly, động cơ Diezel … và cả các thiết bò phục vụ cho con người như: Chiếu sáng, đốt nóng, Máy lạnh… đều sử dụng chung một nguồn năng lượng, đó là nguồn năng lượng điện. Sở dó có điều này là do nguồn năng lượng điện có nhiều ưu thế hơn các nguồn năng lượng khác ở chỗ: - Dễ tạo ra từ các nguồn năng lượng khác cũng như có thể biến đổi từ năng lượng điện sang các dạng năng lượng một cách đơn giản và thuận tiện. - Năng lượng điện có thể dễ dàng tập trung, truyền tải cũng như phân bổ trong toàn bộ hệ thống. - Các thiết bò điện hoạt động tin cậy, tuổi thọ cao, không gây tiếng ồn, dễ dàng trong vận hành, khai thác, bảo dưỡng hệ thống. - Các thiết bò vô tuyến, thông tin liên lạc phải sử dụng đến năng lượng điện. - Năng lượng điện là nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường. Ngày nay một số dạng năng lượng khác cũng đã được đưa vào sử dụng như năng lượng mặt trời, năng lượng nguyên tử nhưng không phổ biến do còn nhiều hạn chế. 1.2. Các yêu cầu cơ bản: Do điều kiện làm việc trên tàu thủy rất khác nghiệt do phải luôn chòu tác động của môi trường như rung lắc, sự chênh lệch nhiệt độ khi tàu đi qua các vùng biển khác nhau, độ ẩm, nước muối….và nhiều điều kiện khác nên phải trạm phát điện trên tàu thủy phải đảm bảo đầy đủ các yêu cầu cơ bản của một trạm phát điện bình thường thì còn phải thỏa mãn một số yêu cầu sau : - Phải có kết cấu đơn giản, chắc chắn, gọn nhẹ và ít chiếm diện tích lắp đặt. - Hoạt động tin cậy, an toàn trong mọi điều kiện làm việc của tàu theo quy đònh đăng kiểm. - Dễ dàng trong việc vận hành, khai thác và bảo dưỡng. - Đảm bảo tính cơ động. - Hiệu suất sử dụng cao. - Tránh gây tiếng ồn và ít gây nhiễu cho các thiết bò radio… 1.3. Cấu trúc trạm phát điện tàu thủy : Hiện nay trên các tàu thủy thường sử dụng trạm phát điện diesel xoay chiều gồm động cơ diesel trung tốc hoặc cao tốc lai máy phát xoay chiều đồng bộ 3 pha điện áp 380V tần số 50Hz hoặc điện áp 440V tần số 60 Hz. Trong giới hạn tài liệu này, chúng ta nghiên cứu trạm phát điện diesel xoay chiều. Tùy thuộc vào loại tàu mà trạm phát điện có thể bao gồm 2 đến 6 máy phát chính và 1 máy phát sự cố. Tàu hàng khô, tàu container thường có 2 đến 3 máy phát, tàu khách thường có 4 đến 6 máy phát, … Các máy phát này có thể công tác độc lập hoặc song song nhau. Hình 1.1 vẽ sơ đồ một dây trạm phát điện có 3 máy phát chính trong đó 2 máy phát cùng công suất, 1 máy phát có công suất nhỏ hơn và 1 máy phát sự cố. Đây là một trạm phát điển hình thường thấy ở các tàu hàng, tàu container. Trong cấu trúc này sử dụng thêm một máy phát công suất nhỏ để tăng tính linh hoạt và tính kinh tế trong khai thác trạm phát điện. Khi tàu đỗ bến không làm hàng thì tải tiêu thụ nhỏ, lúc này máy phát công suất nhỏ này được sử dụng. G1 CB1 DE1 G2 CB2 DE2 G3 CB3 DE3 EG CB5 CB phụ tải phụ tải rất quan trọng D.E Hình 1.1 Trạm phát điện điển hình ở tàu hàng 02 máy phát công suất lớn 400KVA-380V-50Hz (G1, G2) 01 máy phát công suất nhỏ 180KVA-380V-50Hz (G3) 01 máy phát sự cố 50KVA-380V-50Hz (G4) Hình 1.2 vẽ sơ đồ một dây trạm phát điện có 2 máy phát chính cùng công suất, 1 máy phát sự cố và 2 máy phát đồng trục. Đây là một trạm phát điển hình ở các tàu dòch vụ, tàu cứu hộ, … Hai máy phát đồng trục chủ yếu cấp điện cho các phụ tải công suất lớn như chân vòt mũi, chân vòt mạn, bơm cứu hỏa, … Cấu trúc này có ưu điểm là nâng cao hiệu suất sử dụng máy chính, giảm chi phí khai thác bảo dưỡng trạm phát (các diesel lai máy phát). G1 CB1 DE1 G2 CB2 DE2 SG1 CB3 SG2 CB4 phụ tải DE3 DE4 phụ tải công suất lớn CB7 EG CB5 CB6 phụ tải rất quan trọng EDE Hình 1.2 Trạm phát điện điển hình ở tàu dòch vụ §2. Đònh nghóa và phân loại trạm phát điện. 2.1. Đònh nghóa : Đònh nghóa : trạm phát điện là hệ thống năng lượng điện làm nhiệm vụ cung cấp, truyền tải, phân phối năng lượng từ lưới đến các phụ tải. Một trạm phát tối thiểu phải bao gồm các phần sau : - Nơi tạo ra nguồn điện : Các máy phát xoay chiều, các máy phát một chiều hoặc các acquy( nguồn điện sự cố ). - Nơi phân phối điện năng : hệ thống bảng điện chính, hệ thống dây dẫn, các thiết bò đo và kiểm tra. - Các phụ tải : chủ yếu là các motor điện và các thiết bò sử dụng năng lượng điện. 2.2. Phân loại trạm phát: a.Phân loại theo động cơ lai - Trạm phát diesel: có động cơ lai là diesel - Trạm phát turbin: có động cơ lai là turbin - Trạm phát hỗn hợp: có động cơ lai là diesel và turbin Trên một số tàu sử dụng thêm một số máy phát đồng trục được lai bởi động cơ diesel lai chân vòt. G2 CB2 D.E2 G3 CB3 D.E3 G1 CB1 D.E1 a) Diesel lai máy phát NH1 G1 CB1 NH2 G2 CB2 NH3 G3 CB3 TB1 TB2 TB3 b) Turbin lai máy phát N.H1 G1 CB1 G2 CB2 D.E2 G3 CB3 D.E3 TB1 c) Hỗn hợp Hình 1.3 Sơ đồ trạm phát điện tàu thủy b.Phân loại theo dòng điện - Trạm phát một chiều: các máy phát là máy phát một chiều. - Trạm phát xoay chiều: các máy phát là máy phát điện xoay chiều đồng bộ 3 pha Hình 10.2 Sơ đồ trạm phát điện tàu thủy: a) Máy phát điện một chiều; b) Máy phát điện xoay chiều c.Phân loại theo chức năng - Trạm phát điện chính: trạm phát hoạt động thường xuyên, đảm bảo cung cấp đủ nguồn điện năng cho mọi chế độ hoạt động của tàu. Trạm phát điện sự cố: trạm phát hoạt động ở chế độ sự cố khi vì một nguyên nhân nào đó mà trạm phát chính không hoạt động được. Trạm phát điện sự cố chỉ có 1 máy phát có công suất nhỏ đủ cung cấp điện cho các thiết bò quan trọng trong trường hợp sự cố như các thiết bò vô tuyến điện, hệ thống chiếu sáng sự cố, hệ thống phát tín hiệu, … Máy phát sự cố thường đặt cao hơn mặt boong chính đề phòng trường hợp sự cố nước ngập buồng máy. Công suất máy phát sự cố thường từ 20kVA đến 200KVA. §3. Các thông số cơ bản của trạm phát điện tàu thủy. 3.1. Loại dòng điện: Cơ sở để chọn là các tải của nó( tải chủ yếu là động cơ), xu hướng hiện nay là dùng trạm xoay chiều. Những thiết bò dùng điện một chiều thì qua bộ biến đổi. Sở dó hay dùng điện xoay chiều vì những lý do sau đây: - Độ tin cậy cao, chế tạo dễ, ít hỏng hóc. - Chi phí bảo dưỡng rẻ hơn rất nhiều so với một chiều. - Mức độ phức tạp khi quấn dây xoay chiều dễ hơn một chiều. - Trọng lượng và kích thước bé( riêng máy fát xoay chiều lớn hơn một chiều). - Thay đổi tốc độ đối với động cơ xoay chiều khó hơn một chiều( ngày nay đã có những bộ biến đổi tần số để điều chỉnh láng động cơ xoay chiều). n ~ = 60f/p = n tt (1-s) chỉ thay đổi tốc độ từng cấp. U M. R ưng n - = + C e ( Φ ss + Φ nt ) C e . C n ( Φ ss + Φ nt ) 2 Φ ss : Từ thông cuộn kích từ song song. Φ nt : Từ thông cuộn kích từ nối tiếp. C e , C n : Hệ số phụ thuộc máy điện. - Cáp dẫn điện : Động cơ xoay chiều và một chiều tương đương. Trong thực tế cáp một chiều nhỏ hơn xoay chiều. Nhưng bên xoay chiều có khả năng tăng áp dễ hơn nên có thể giảm dòng. - Về thiết bò khởi động: Bên xoay chiều nhỏ hơn một chiều. - Công tắc tơ, rele : Công tắc tơ một chiều tin cậy hơn xoay chiều, nhưng kích thước xoay chiều nhỏ hơn một chiều vì thiết bò dập hồ quang bé hơn. 3.2 Cấp điện áp: Theo quy đònh của Đăng kiểm Việt nam có các cấp điện áp sau: Áp xoay chiều : 12v, 24v, 36v, 127v, 220v, 380v, 440v, 600v. Áp một chiều : 12v, 24v, 36v, 110v, 220v. - 12v : dùng cho nơi ẩm ướt. - 24v : dùng cho nơi có độ ẩm cao. - 110v, 220v : dùng cho mạch ánh sáng, động lực. - 380v, 440v : dùng cho mạch động lực. - 600v : Dùng cho thiết bò chuyên dùng ( chân vòt điện). 3.3. Tần số của trạm phát : Thường chọn theo tiêu chuẩn nhà nước chế tạo ra trạm fát đó: Xu hướng là tăng tần số. Khi f tăng → n tăng → M giảm( P = const ) → d ( đường kính rotor) giảm → giảm được kích thước trọng lượng máy điện nhưng kéo theo đó là một số vấn đề vềbạc đỡ và ổ bi. Tầu Nhật, tầu Châu Âu: 60hz. Tầu các nước XHCN : 50hz 3.4. Công suất trạm phát : Thông thường thì công suất của một trạm phát cụ thể dưới tàu thủy thì phụ thuộc vào tổng công suất của thiết bò được trang bò trên tàu. Việc bố trí cũng như số lượng và công suất của mỗi máy phát phải đảm bảo các yêu cầu sau : - Trạm phát phải cung cấp đủ công suất cho các phụ tải hoạt động trong mọi chế độ hoạt động của tàu. - Bắt buộc phải có trạm phát điện sự cố và được đặt trên mớn nước của tàu trên boong hở và đảm bảo cấp nguồn cho một số tải quan trọng trên tàu theo quy đònh của đăng kiểm. §4. MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ. 4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát đồng bộ : thường có hai loại là máy phát cực ẩn và máy phát cực hiện. 4.1.1. Cấu tạo : thường có hai phần là stator và rotor a- Stator 1- Mạch từ : Là loiõ thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,3-0,5 mm dập hình vành khăn xẻ rãnh trong, các lá thép kỹ thuật điện ghép các điện để giảm dòng Fuco. 2- Vỏ máy: thường bằng thép đúc hoặc gang, các máy phát điện công suất nhỏ hai phía có nắp máy, các máy phát điện công suất lớn các nắp thường không chòu lực ổ đỡ, mà một phía gắn cứng với động cơ sơ cấp, phía bên kia đặt trên ổ đỡ gắn với vỏ satxi. 3-Các cuộn dây cuộn dây ba pha (hoặc 1 pha) lấy điện ra gọi là cuộn dây phần ứng. Chế tạo từ dây đồng hoặc hợp kim có độ dẫn điện cao, chòu được nhiệt độ, bên trên tráng một lớp emay, men cách điện, tơ sợi tổng hợp, hoặc sợi thuỷ tinh, mục đích làm cách điện giữa các dây trong cuộn dây, dây được quấn trong các rãnh theo quy luật nhất đònh, số đầu dây ra của cuộn 3 pha có thể là 3, 6 9… tùy theo hãng chế tạo. Các đầu dây được đặt trong hộp kín nước, có trụ nối để nối với mạch ngòai. Giữa lõi cực từ và cuộn dây điện từ lót một lớp các điện bằng giấy cách điện, mica cách điện, đặc điểm của lớp bià hay mica là dai, dẻo, chòu được độ ẩ và điều kiện môi trường, có tuổi thọ cao thông thường thì phần cách điện này phải chòu được nhiệt độ làm việc từ 135-180 độ C. Phần này lấy điện ra được gọi là phần ứng, gồm có 3 cuộn dây, các cuộn dây điện từ này đặt lệch nhau 120 độ điện, người ta quấn các cuộn dây thành 3 pha đối xứng và có số cặp cực tùy thuộc vào tốc độ của động cơ lai để có tần số phù hợp, Toàn bộ phần ứng được đặt trong vỏ máy theo thiết kế có khe hở thóang thoáng để có thể giải nhiệt dễ dàng Hình 4.1 Cấu tạo stator của máy phát đồng bộ. b. Rotor: Là phần kích từ có cấu tạo gồm mạch từ và cuộn dây kích từ: 1. Mạch từ làm bằng thép đúc. Có 2 dạng kết cấu kiểu cực lồi và kiểu cực ẩn, phần mỏm cực tiếp giáp với khe khí Stato thường chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại để giảm dòng Fuco khi làm việc. Số cực từ là số chẵn, với một tốc độ quay cố đònh rotor, số cực càng nhiều thì tần số nguồn điện càng cao, hay ngước lại với một tần số nguồn điện cần tạo cố đònh (50,60Hz) số cực càng ít thì tốc độ động cơ sơ cấp càng phải cao. 2. Cuộn dây: Cuộn dây điện từ được chế tạo bằng kim lọai đồng hoặc hợp kim có độ dẫn điện cao được cấp dòng điện một chiều gọi là dòng kích từ, các cuộn dây kích từ được nối theo quy luật để hình thành các cực nam châm xen kẽ nhau, có thể nối song song hoặc nối tiếp các cuộn dây cực từ . Trên phần mỏm cực của rotor có thể có các thanh dẫn kim loại luồn theo dọc các [...]... tốt hơn nên nó phù hợp cho tàu thủy Nhược điểm : độ chính xác thấp, hệ thống thường có cấu tạo cồng kềnh và khả năng tự kích ban đầu chưa cao 7.2 Hệ thống tự động ổn đònh điện áp theo độ lệch : SS F KĐ F Hình 7.4 Sơ đồ nguyên lí của tự động điều chỉnh điện áp theo độ lệch Nguyên lí làm việc : Đại lượng điện áp U của máy phát điện được gọi là đại lượng được điều chỉnh , đại lượng này bò thay đổi khi... bằng giữa hai máy, dòng điện này có tính chất cảm kháng , nên mang tính khử từ và làm giảm từ trường chính của các máy phát điện làm điện áp mạng giảm xuống * Do các bộ tự động điều chỉnh làm việc không ổn đònh Khi bộ điều chỉnh điện áp hoặc bộ điều chỉnh tần số làm việc không ổn đònh sẽ xảy ra hiện tượng điện áp dao động * Do ngắn mạch ở các vò trí khác nhau trong mạng điện Dòng điện ngắn mạch sẽ gây... điều chỉnh điện áp theo nguyên tắc nhiễu loạn : Các nhiễu thường làm thay đổi điện áp máy phát là dòng sự thay đổi dòng tải hay tính chất tải của máy phát Và theo nguyên tắc này thì có những hệ thống tự động điều chỉnh điện áp sau : a Hệ thống phức hợp dòng : Dòng điện kích từ cho máy phát điện được hình thành từ hai thành phần : thành phần tỷ lệ với dòng điện tải và thành phần tỷ lệ với điện áp trên... và thành phần tỷ lệ với điện áp trên cực máy phát điện đã được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều trước khi cộng với nhau (tổng đại số) Ikt =K(Iu+Ii) Iu - thành phần dòng do điện áp tạo nên có tác dụng tạo nguồn kích từ để có điện áp không tải Ii - thành phần dòng điện do dòng tải tạo tra là thành phần bù lại sự sụt áp khi tải ngoài thay đổi làm dòng điện trong máy phát tăng lên Với kết cầu như vậy... đònh điện áp cho các máy phát đồng bộ ba pha 5.2 Những quy của đăng kiểm về ổn đònh điện áp cho máy phát: Các cơ quan đăng kiểm đều có các yêu cầu đối với các thiết bò tự động ổn đònh điện áp và tần số máy phát điện a- Mỗi tổ máy phát điện đều phải trang bò một bộ tự động điều chỉnh điện áp riêng để:Khi thay đổi tải tónh tư 0-Iđm, với giá trò cosϕđm và tốc độ quay nằm trong giới hạn sai số 5%, điện. .. thay đổi khi có những tác động bên ngoài N vào máy phát điện, ví dụ thay đổi tải, thay đổi điện trở, phân phối không đều vv… Giá trò của Uo – đại lượng cho trước là giá trò mong muốn của điện áp cần đạt được thường là các chiết áp trên đó có thang chia và kim chỉ thò khi ta muốn đặc giá trò điện áp ban dầu cho máy phát Điện áp máy phát qua bộ đo điện áp (là phản hồi chính của điều khiển) chuyển thành... đối máy fát điện xoay chiều) Khi dòng tải thay đổi, điện áp cũng thay đổi theo, do đó phải thay đổi dòng kích từ để giữ điện áp không đổi Đối máy fát xoay chiều, với cùng dòng tải, tính chất tải thay đổi cũng làm điện áp thay đổi( đối tải thuần dung khi tăng tải đến lúc nào đó thì điện áp cũng giảm) * Do nhiệt độ trong cuộn dây máy fát thay đổi : Khi nhiệt độ của cuộn dây thay đổi làm cho điện trở của... phản hồi dòng điện và tín hiệu điện áp phản hồi được cộng lại ở phía xoay chiều và sau đó đưa đến chỉnh lưu và đưa đến kích từ Có hai loại là phức hợp pha song song và phức hợp pha nối tiếp - Phức hợp pha nối tiếp có thành phần dòng điện và điện áp được cộng nối tiếp với nhau trước khi đưa qua chỉnh lưu để cung cấp dòng kích từ cho máy phát - Phức hợp pha song song có thành phần dòng điện và điện áp được... cont cos ϕ = cont U Tải điện dung Tải điện cảm Đặc tính tải I ϕ = cont U = f (Ikt) Khi I u = cont, f = cont cos U Itai = 0 ( E0 ) Itai = Iđm Ikt 0 Đặc tính điều chỉnh Ikt = f (It) Khi U = cont, f = cont cos ϕ = cont Ikt Tải cảm Tải trở Tải dung It §5 n đònh điện áp cho các máy phát điện đồng bộ 5.1 Khái niệm chung: Tất cả các thiết bò điện đều được chế tạo để công tác với một điện áp đònh mức nhất đònh... bộ: - Vành trượt - hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt ở đầu trục, thông qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ bên ngòai,(cần lưu ý rằng các máy phát điện không chổi thankhông có chi tiết này-xem máy phát điện không chổi than) - Máy phát điện tàu thủy thường được làm mát bằng không khí nhờ hệ thống quạt làm mát gắn hai đầu trục máy và kết cấu thông gió trong thân . trạm phát điện tàu thủy : Hiện nay trên các tàu thủy thường sử dụng trạm phát điện diesel xoay chiều gồm động cơ diesel trung tốc hoặc cao tốc lai máy phát xoay chiều đồng bộ 3 pha điện áp 380V. phát điện tàu thủy: a) Máy phát điện một chiều; b) Máy phát điện xoay chiều c.Phân loại theo chức năng - Trạm phát điện chính: trạm phát hoạt động thường xuyên, đảm bảo cung cấp đủ nguồn điện. qua hai chổi điện để nối với nguồn kích từ bên ngòai,(cần lưu ý rằng các máy phát điện không chổi thankhông có chi tiết này-xem máy phát điện không chổi than) - Máy phát điện tàu thủy thường