Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống ắc quy trên tàu hải quân

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ XUÂN CHÂU NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ XUÂN CHÂU NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60.52.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trịnh Trung Hiếu Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Ký tên Lê Xn Châu MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài (Tính cấp thiết đề tài) II Mục đích nghiên cứu III Ðối tƣợng Phạm vi nghiên cứu IV Phƣơng pháp nghiên cứu V Ý nghĩa khoa học thực tiễn VI Cấu trúc luận văn: Chƣơng 1: NHỮNG NỘI DUNG CƠ BẢN VỀ ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN 1.1 Lịch sử hình thành phát triển AQ axít 1.2 Cơng dụng cấu tạo AQ axít 1.2.1 Công dụng 1.2.2 Cấu tạo AQ axít 1.3 Phân loại ắc quy 1.4 Nguyên lý làm việc chung ắc quy 1.4.1 Quá trình nạp điện ắc quy 1.4.2 Q trình phóng điện ắc quy 1.5 Các thông số ắc quy 1.5.1 Các thông số chung ắc quy 1.5.2.Các thông số AQ tàu Hải quân 1.6 Cách đấu nối đặc tính phóng nạp ắc quy 12 1.6.1 Đặc tính nạp ắc quy 12 1.6.2 Quy trình phóng xả ắc quy 12 1.7 Các quy tắc khai thác AQ tàu Hải quân 14 1.7.1 Dấu nạp no ắc quy 14 1.7.2 Dấu hiệu phóng điện ắc quy 15 1.7.3 Nối mát 15 1.7.4 Nhiệt độ 15 1.7.5 Bổ sung nƣớc cất 15 1.7.6 Đo điện áp 15 1.7.7 Tháo dây điện đấu với điện cực 15 1.7.8 Đo tỷ trọng dung dịch điện phân 16 1.7.9 Pha chế dung dịch điện phân 16 1.7.10 Quy tắc an toàn: 16 1.7.11 Những hƣ hỏng AQ 16 1.8 Đề xuất thông số chung xả cho hệ thống AQ 17 1.9 Kết luận chƣơng 18 Chƣơng 2: CÁC GIẢI PHÁP THU HỒI NĂNG LƢỢNG TỪ HỆ THỐNG AQ 19 2.1 Các dạng chuyển hóa lƣợng từ AQ 19 2.1.1 Chuyển hóa lƣợng thành nhiệt để chƣng cất nƣớc biển 19 2.1.2 Trả lƣợng nguồn phƣơng pháp nghịch lƣu 19 2.1.3 Chuyển hóa lƣợng thành quay máy phát điện nạp cho hệ thống AQ khác 20 2.1.4 So sánh phƣơng pháp thu hồi lƣợng từ AQ 21 2.2 Lựa chọn tính tốn phần tử DC/DC 22 2.2.1 Giới thiệu tổng quan biến đổi DC/DC có cách ly 23 2.2.2 So sánh mạch DC/DC có cách ly đề xuất sơ đồ phù hợp 29 2.3 Tổng quan mạch DAB 31 2.3.2 Nguyên lý làm việc mạch DAB 35 2.3.3 Phƣơng án đề xuất mạch chuyển đổi DC/DC cho hệ thống xả AQ 36 2.4 Các thông số đƣợc truyền qua mạch 38 2.4.1 Công suất truyền qua mạch 38 2.4.2 Dòng điện đầu mạch DAB 38 2.4.3 Các tổn hao mạch DAB 40 2.5 Kết luận chƣơng 41 Chƣơng 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU HỒI NĂNG LƢỢNG TỪ HỆ THỐNG ẮC QUY 42 3.1 Tính chọn phần tử chủ động hệ thống 42 3.1.1 Tính chọn điện cảm rị 42 3.1.2 Tính chọn IGBT 43 3.1.3 Tính chọn tối ƣu mạch DAB 45 3.2 Tính tốn thiết kế mạch điều khiển 47 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung điều khiển hệ 47 3.2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển phần mềm MATLAB 48 3.3 Mạch mô đề xuất 49 3.4 Các kết mô Matlab 50 3.5 Tính tốn hiệu hệ thống kết luận 52 3.5.1 Tính tốn giá thành cho chuyển đổi DC-DC DAB 52 3.5.2 Tính tốn lƣợng tiêu hao nhiên liệu cho kW điện 53 3.6 Kết luận chƣơng 54 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 55 Danh mục tài liệu tham khảo 57 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN Học viên: Lê Xuân Châu Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN 60.52.50 Khóa: 31 Tóm tắt – Vận hành hiệu ắc quy tàu Hải quân yêu cầu cấp thiết hoạt động tàu quân Quá trình xả lƣợng từ ắc quy tái tạo nguồn lƣợng giải pháp tiết kiệm lƣợng giảm chi phí q trình vận hành tổ hợp ắc quy Hƣớng nghiên cứu đề cập đến nhiều dạng biến đổi lƣợng nhƣ hóa nƣớc biển chƣng cất nƣớc cất, trả lƣợng lƣới cung cấp cho động DC lai máy phát điện xoay chiều thông qua chuyển đổi DC-DC có cách ly DAB (Dual Active Bridge) Qua nghiên cứu hƣớng đề xuất thông qua chuyển đổi DAB giải pháp an toàn hiệu cho hệ thống, biến đƣợc nguồn lƣợng hao phí q trình xả ắc quy thành nguồn lƣợng nạp lại cho hệ thống ắc quy khác chế độ nạp xả hai hệ thống ắc quy khác Thơng qua chuyển đổi DAB điều chỉnh đƣợc hƣớng cơng suất ổn định dịng điện xả điện áp mạch nhằm cấp cho động DC lai máy phát giá trị đạt đƣợc toàn điện áp 256V dòng điện đầu 800-850A Quá trình tính tốn cho thấy cần chia nhỏ mạch DAB thành mạch nhỏ để tính tốn với mục đích đảm bảo cho mạch dễ làm mát chịu đƣợc khả làm việc điều kiện công suất mạch lớn Tác giả tóm tắt kết đạt đƣợc đƣa hƣớng phát triển thực tế đơn vị Từ khóa – chuyển đổi DC-DC, DAB , điện cảm rị, tính chọn IGBT, ắc quy axít RESEARCH PROPOSED PROPOSAL TO ENSURE THE EFFICIENT OPERATION OF BATTERIES SYSTEM IN THE NAVAL SHIPS Abstract - Effective operation of batteries on naval ships is an urgent requirement in the operation of military mission The process of discharging energy from batteries and this power source is a way to save energy and reduce costs during the operation of batteries system Research has addressed a variety of energy transformations, such as the distillation of distilled water, the return of grid energy, and the supply of DC hybrid DC generators via the DC-DC converter DAB (Dual Active Bridge) isolated Through the proposed research, through the DAB converter, a safe and effective solution for the system, it can transform the energy wasted in the discharge of batteries into rechargeable energy sources The other batteries system when between the charging and discharging modes of two different batteries systems Through the DAB converter, it is possible to adjust the power direction and stabilize the discharge current and voltage of the circuit to provide the DC motor with a DC generator which achieves a total voltage of 256V and an output current of 800- 850A The calculation shows that the DAB circuits need to be broken up into small circuits for calculations with the aim of ensuring that the circuit is easy to cool and able to withstand high-power conditions The author has summarized the results achieved and set forth the actual development direction in the Navy Force Key words – DC-DC converter, DAB, inductances leakage, selecting IGBT, acid batteries CÁC LOẠI DANH MỤC a) Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt CÁC KÝ HIỆU: E Sức điện động (V) U I Điện áp (V) Dòng điện (A) f P t Tần số (Hz) Công suất tác dụng (W) Thời gian (s) T ρ Chu kỳ (s-1) Tỷ trọng dung dịch axít (g/cm3) C Tụ điện L Cuộn cảm CÁC CHỮ VIẾT TẮT AQ Ắc quy ĐTCS Điện tử công suất MFĐ Máy phát điện DC Nguồn điện chiều AC Nguồn điện xoay chiều b) Danh mục bảng Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Bảng so sánh cấu trúc có cách ly khơng có cách ly 23 2.2 So sánh giá trị điện áp đặt lên khóa điều khiển 29 2.3 So sánh số lƣợng thiết bị mạch 30 2.4 Tổng kết so sánh thông số mạch 30 3.1 Giá trị góc lệch để dịng điện đầu cực đại 43 3.2 Các thông số đặc trƣng IGBT 44 3.3 Thơng số tính tốn tổn thất mạch DAB 45 3.4 Bảng giá thành thiết bị 52 c) Danh mục hình vẽ đồ thị Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Cấu tạo AQ axít 1.2 Minh họa q trình điện hóa xảy nạp AQ axít Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.3 Minh họa trình phóng AQ axít 1.4 Biểu đồ thay đổi điện dung AQ phóng (AQ 100Ah) 1.5 Cấu tạo ắc quy 11 1.6 Đặc tính điện áp tỷ trọng AQ phóng nạp với dịng điện khơng đổi 12 1.7 Đặc tính phóng nạp ắc quy 13 1.8 Đặc tính phóng điện tới mức điện áp tối thiểu cho phép 13 1.9 Dung lƣợng định mức AQ dựa mức 14 1.10 Chu kỳ phóng điện AQ C20 14 1.11 Đƣờng đặc tính xả (I,U) tổ hợp AQ 18 2.1 Mơ hình động DC lai máy phát điện xoay chiều thông qua chỉnh lƣu nạp cho AQ 20 2.2 Sơ đồ bốn chế độ nạp cho AQ chế độ nạp bổ sung 20 2.3 Sơ đồ dùng động DC lai máy phát điện xoay chiều 22 2.4 Sơ đồ cấu trúc mạch Flyback 24 2.5 Sơ đồ cấu trúc mạch Forward 26 2.6 Giản đồ nguyên lý mạch Forward 26 2.7 Sơ đồ cấu trúc mạch Half Bridge 27 2.8 Giản đồ cấu trúc mạch Half Bridge 27 2.9 Giản đồ nguyên lý mạch DAB 28 2.10 Sơ đồ cấu trúc mạch DAB 28 2.11 Modul IGBT Mitsubishi với Umax 3300V, Imax 1200A 31 2.12 Cấu tạo (a), mạch tƣơng đƣơng (b), đặc tính V-A (c) IGBT 32 2.13 Sơ đồ thử nghiệm khóa IGBT 33 2.14 Quá trình mở IGBT 34 2.15 Q trình khóa IGBT 34 2.16 Vùng làm việc an toàn IGBT 35 Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 2.17 Cấu trúc mạch DAB 36 2.18 Giản đồ xung làm việc IGBT 36 2.19 Sơ đồ chuyển đổi DC/DC cho hai tổ hợp AQ dùng IGBT 37 2.20 Sơ đồ nhánh chuyển đổi DC/DC 38 2.21 Điện áp sơ cấp, thứ cấp MBA dòng điện qua điện cảm rò Lk 38 3.1 Biểu đồ dòng điện đầu Io thay đổi theo góc lệch pha φ, tƣơng ứng với giá trị điện cảm rò Lk= 1, ,6H 43 3.2 Dòng điện cực đại (Imax) qua điện cảm rò MBA 44 3.3 Biểu đồ hiệu suất mạch DAB thay đổi theo điện áp V0 46 3.4 Hiệu suất nhiều mạch nhánh 46 3.5 Sơ đồ khối điều chỉnh 48 3.6 Sơ đồ cấu trúc chung mạch điều khiển 48 3.7 Sơ đồ cấu trúc khối tính tốn thời gian trễ 49 3.8 Sơ đồ cấu trúc nhánh chịu dịng tải 100A, 256V 49 3.9 Nguồn mơ dạng AQ axít Matlab 49 3.10 MBA cách ly Matlab 49 3.11 Điện tử công suất IGBT Matlab 50 3.12 Động DC kích từ độc lập Matlab 50 3.13 Điện áp hai đầu vào cuộn dây MBA, 256V 50 3.14 Dòng điện rò qua cuộn dây MBA, 86A 50 3.15 Điện áp (màu xanh), dòng điện rò (màu vàng) qua cuộn dây MBA 51 3.16 Dòng điện đầu DAB khoảng thời gian 0,0183s 51 MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài (Tính cấp thiết đề tài) Trong lực lƣợng Hải quân biên chế số chủng loại tàu có sử dụng ắc quy (AQ) nguồn lƣợng cho hệ thống lƣợng tàu Thông thƣờng tuổi thọ AQ có giới hạn từ -5 năm tùy theo chế độ khai thác sử dụng bảo quản Với trình hoạt động bảo dƣỡng AQ cho tàu quân phải tuân thủ nghiêm chế quy trình, với yêu cầu cho thấy lƣợng xả tổ hợp AQ nguồn lƣợng lớn, tái tạo nguồn lƣợng đòi hỏi cần thiết nhiệm vụ quốc phòng Nhằm tiết kiệm tối đa nguồn tài nguyên có sẵn giảm chi phí cho phục vụ quốc phòng Các AQ tàu tàu gồm hai tổ hợp mắc song song với nhau, tổ hợp gồm 120 mắc nối tiếp với nhau, AQ có công suất tối đa 11,5kW Một yêu cầu bắt buộc định kỳ tháng tổ hợp AQ tàu cần phải xả sâu để giải phóng điện tử bám cực AQ tránh tƣợng sunfat hóa điện cực, hoạt động bắt buộc để tránh tƣợng dung lƣợng ảo AQ hoạt động lâu dài Khi phóng xả AQ tàu theo quy định giá trị dòng điện đầu dao động từ 800 – 850A dịng điện đƣợc trì suốt thời gian 20h Khi xả tàu yêu cầu phải đậu cảng, để xả nguồn lƣợng cho AQ cách sử dụng hai động đẩy chân vịt dƣới tàu quay ngƣợc đốt nóng nƣớc biển thơng qua cực sau xả lại xuống biển Với phƣơng án có nhiều bất cập nhƣ động xả bị dừng tàu bị trôi dạt đâm va tuổi thọ động giảm số phục vụ, với phƣơng án đốt nóng nƣớc biển dịng xả lớn nên điện cực bị ăn mòn nhanh lần xả lần thay điện cực tốn Cả hai phƣơng án sử dụng nguồn lƣợng đƣợc xem nguồn lƣợng hao phí khơng tái tạo Do đó, với mong muốn sử dụng nguồn lƣợng tái tạo thành dạng lƣợng khác phù hợp để nạp lại tổ hợp AQ khác dƣới tàu, cách chuyển hóa nguồn lƣợng xả với dịng điện đầu không đổi thông qua biến đổi DCDC điều chỉnh điện áp dịng điện cấp cho động DC lai MFĐ để nạp cho tổ hợp AQ khác tàu Hiện để nạp cho AQ bến sử dụng nguồn lƣợng máy phát – diesel, với mục đích tận dụng trang thiết bị sẵn có đơn vị II Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất thực giải pháp thu lại lƣợng từ trình xả hệ thống AQ dựa biến đổi điện tử công suất lớn nhằm chuyển hoá nguồn 44 i Lrms (3.1) Mặt khác, giá trị dịng điện qua điện cảm rị iLrms nhƣ cơng thức (2.12) phụ thuộc vào giá trị góc lệch pha, điện áp Vout giá trị điện cảm rị Lk Do phƣơng pháp đồ thị, ta xây dựng đƣợc đƣờng đặc tính dịng điện qua điện cảm rò theo thay đổi điện áp Vout ứng với giá trị Lk nhƣ hình vẽ iigbt  i Lrms D  Hình 3.2 Dịng điện cực đại (Imax) qua điện cảm rò MBA Ứng với chu kỳ xung chọn D = 0.5 Dựa biểu đồ 3.2 ta thấy rằng, giá trị dòng điện hiệu dụng cực đại qua điện cảm rò ILrms= 342(A) i IGBT  i Lrms D  i Lrms 342   171A 2 Kết hợp với thông số Vin = 256VDC, Vout = 250 - 300VDC, ta chọn loại IGBT 2MBI200N-060 FUJI 600V 200A hãng FUJI Nhật Bảng 3.2 Các thông số đặc trƣng IGBT Điện áp cực đại Dòng điện cực đại ( 25 C) Dòng điện cực đại ( 110 C) Công suất tiêu hao Vcemax 600V Ic(25) 400A Ic(75) 200A PD 780W 45 Điện trở dẫn Rcond 0.018Ω Tổn thất khóa Eoff 12mJ Tổn thất mở Eon 8mJ 3.1.3 Tính chọn tối ưu mạch DAB Dựa thông số IGBT cho datasheet nó, ta xác định đƣợc thơng số để tính tốn tổn thất mạch DAB, thơng số đƣợc trình bày nhƣ bảng 3.3 Bảng 3.3 Thơng số tính tốn tổn thất mạch DAB Thơng số Ký hiệu Giá trị Rt 0,1Ω Điện trở dẫn IGBT Rcond 0.018Ω Năng lƣợng chuyển mạch IGBT phía sơ cấp ** Eoff1 Eoff   E off (Ic )  256 (mJ) 600 Năng lƣợng chuyển mạch IGBT Eoff2 Eoff   E off (Ic )  300 (mJ) 600 Điện trở dây quấn MBA * phía thứ cấp ** Tần số chuyển mạch f 28kHz (*) Giá trị điện trở đƣợc ƣớc lƣợng dựa vào công suất cực đại Pmax = 50kW, dòng điện cực đại Imax = ILrms = 342A (**) Đƣợc xây dựng dựa giá trị lƣợng ứng với giá trị dòng qua cực collector Ic đƣợc cho theo datasheet IGBT giá trị điện áp vào Vin = 256, điện áp Vout=VMOTO theo công thức (2.16) Từ bảng 2.7 kết hợp với công thức (2.17)…(2.20) ta có Tổn hao dẫn IGBT Pcond  N.R cond I igbt I   4.0,018  Lrms    Tổn hao chuyển mạch IGBT Psw  Eoff f  (Eoff  Eoff )  f  (204  Vout )   (0,012I Lrms 0,1)  50000 600 PIGBT  N(PCOND  PSW ) Tổn hao máy biến áp 2 Pt  Pcu  Pfe  R cu ILrms  2%Pout  0,1 ILrms  2%Pout Hiệu suất mạch   P 100% P  Pt  PIGBT Có thể thấy giá trị điện cảm rị ảnh hƣởng lớn đến giá trị dịng điện qua nó, từ ảnh hƣởng đến hiệu suất mạch Do phƣơng pháp khảo sát hiệu suất mạch DAB theo giá trị điện cảm rò thay đổi, ta xác định đƣợc giá 46 trị điện cảm rò tối ƣu cho mạch DAB Sử dụng phần mềm Mathcad tính tốn xây dựng đƣợc đƣờng đặc tính hiệu suất theo thay đổi giá trị điện áp đầu ứng với giá trị điện cảm rị Lk=2; 3; 4; 5; 6(µH) Hình 3.3 Biểu đồ hiệu suất mạch DAB thay đổi theo điện áp V0 Dựa biểu đồ thấy hiều suất chung mạch DAB tƣơng ứng với giá trị điện cảm rò LK = 3μH tƣơng đối cao cao (86,5%), ta chọn giá trị điện cảm rò tối ƣu Lk= 3μH Hình 3.4 Hiệu suất nhiều mạch nhánh 47 Bên cạnh việc lựa chọn giá trị điện cảm rò để tối ƣu hiệu suất mạch, ta dùng nhiều mạch DAB nối song song với thay sử dụng mạch Điều có ƣu điểm làm tăng độ tin cậy mạch DC-DC, tăng hiệu suất mạch DAB điện áp AQ giá trị cao, nhiên chọn nhiều mạch lại làm tăng kích thƣớc nhƣ chi phí trạm sạc Do để lựa chọn số mạch cách hiệu quả, ta dựa đƣờng đặc tính hiệu suất ứng với số mạch khác (từ dến mạch) nhƣ hình Qua đồ thị cho kết hai mạch mắc song song cho hiệu suất cao Hƣớng giải pháp từ với dòng xả 200A chia thành hai mạch nhánh mạch cho phép dòng điện qua 100A Điều làm cho mạch dễ làm mát hơn, tuổi thọ làm việc thiết bị cao hơn, nhiên làm cho hệ thống cồng kềnh nhƣ tăng thêm chi phí Tuy vậy, hệ thống đòi hỏi phải đảm bảo hoạt động tin cậy an toàn nên giá thành thiết bị khơng quan tâm nhiều chủ yếu làm hoạt động tốt tuổi thọ cao yêu cầu trƣớc tiên 3.2 Tính tốn thiết kế mạch điều khiển Dựa đặc tính xả AQ hình 1.11 dịng xả ln đƣợc trì từ 200 – 206A điện áp cell đầy 2,14VDC giảm xuống 1,7VDC tƣơng ứng với tỷ trọng AQ giảm từ 1,29 ÷ 1,11 g/cm3 thời gian 20h Do đó, dung lƣợng xả sau 20h đến 20% tổng dung lƣợng kết thúc trình xả, tuyệt đối không đƣợc xả dƣới mức không gây tƣợng sunfat hóa cực nguyên nhân gây tƣợng dung lƣợng ảo thời gian phục vụ (tuổi thọ) AQ bị giảm Dòng điện sạc giá trị phụ thuộc vào góc lệch cầu φ theo nhƣ biểu thức: I out   nVin        2fLk (3.2) Do cách giảm giá trị góc lệch pha hai nhánh ta giảm đƣợc giá trị dịng xả Tuy nhiên, dòng xả yêu cầu phải giữ ổn định khoảng giá trị từ 100 – 106A, giá trị góc lệch hai cầu tính qua cơng thức 3.1 kết hợp đồ thị 3.1, 3.2 ta chọn φ 280 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung điều khiển Bộ điều khiển lấy tín hiệu phản hồi từ pin gồm thơng số: Điện áp pin, dịng điện pin trạng thái trình xả AQ (SOC) Bằng cách xây dựng mối quan hệ giá trị trạng thái q trình sạc (SOC) góc lệch φ, ta dễ dàng điều khiển đƣợc giá trị góc lệch Giá trị góc lệch đƣợc quy đổi thời gian trễ xung điều 48 khiển Td để đƣa đến phát xung điều khiển đƣa đến chân điều khiển IGBT phía thứ cấp MBA Td  T 360 (3.3) Trong đó: φ (độ): giá trị góc lệch pha (trong trƣờng hợp góc trễ pha sau với pha trƣớc T(s): chu kì xung điều khiển T  Điên áp (V), Dòng điện (A) 120 Ắc quy SOC (%) 1   3.6  105 (s) f 28000 SOC (%) Tính tốn giá trị góc lệch Bộ phát xung điều khiển Td(s) Tính tốn giá trị thời gian trễ xung điều khiển Giá trị góc lệch φ So sánh với giá trị điện áp dòng điện đặt Chân điều khiển IGBT Xung đk Hình 3.5 Sơ đồ khối điều chỉnh Mối quan hệ trạng thái xả (SOC) góc lệch pha đề xuất   1  SOC  20    bd Với: SOC: trạng thái xả AQ bd : Góc lệch ban đầu ứng với q trình xả Dịng điện đầu ln u cầu phải đạt giá trị ổn định, ứng với giá trị góc lệch ban đầu mạch DAB 180 Khi xả đến 20% dung lƣợng AQ dừng khơng cho phép xả 3.2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển phần mềm MATLAB Điện áp >204V SOC >20% Dịng điện 100-125A Σ In Out Tín hiệu xung Khuếch đại xung Điều khiển IGBT Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chung mạch điều khiển 49 Cấu trúc chung điều khiển thơng tin tình trạng AQ (SOC: Stage of Charge) với tín hiệu điện áp dòng điện xả đƣợc tổng hợp thành tín hiệu đầu vào sau so sánh với tín hiệu đặt trƣớc để đƣa tín hiệu xung điều khiển đƣa vào khuếch đại tín hiệu để điều khiển IGBT Nếu điện áp AQ giảm dƣới 204VDC tổng dung lƣợng AQ giảm dƣới 20% tín hiệu điều khiển khơng xuất tín hiệu điều khiển Sơ đồ cấu trúc tính toán thời gian trễ + SOC(%) - - + 20 >20% Giá trị đặt -K- -K- Góc lệch ban đầu T/360 Td Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc khối tính tốn thời gian trễ 3.3 Mạch mơ đề xuất Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc nhánh chịu dịng tải 100A, 256V Khối nguồn Hình 3.9 Nguồn mơ dạng AQ axít Matlab MBA cách ly pha Hình 3.10 MBA cách ly Matlab 50 Linh kiện bán dẫn IGBT Hình 3.11 Điện tử cơng suất IGBT Matlab Phụ tải Hình 3.12 Động DC kích từ độc lập Matlab 3.4 Các kết mô Matlab Điện áp qua cuộn dây MBA cách ly Hình 3.13 Điện áp hai đầu vào cuộn dây MBA, 256V 51 Dòng điện rị qua cuộn dây MBA cách ly Hình 3.14 Dòng điện rò qua cuộn dây MBA, 86A Điện áp dòng điện rò qua cuộn dây MBA cách ly Hình 3.15 Điện áp (màu xanh), dịng điện rò (màu vàng) qua cuộn dây MBA 52 Dòng điện đầu nhánh mơ Matlab (hình 3.8) Hình 3.16 Dịng điện đầu DAB khoảng thời gian 0,0183s (từ 51,1 – 50,8A) 3.5 Tính toán hiệu hệ thống kết luận 3.5.1 Tính tốn giá thành cho chuyển đổi DC-DC DAB Tổng thể mạch DAB gồm 04 mạch nhánh lớn chịu đƣợc dịng 200A với cơng suất mạch 50kW Chia nhỏ mạch nhánh thành hai đôi nhánh chịu dòng 100A Mỗi mạch DAB nhỏ có tất 08 IGBT điều khiển cho dịng cơng suất qua mạch Vì ta có chi phí ƣớc tính nhƣ bảng sau: Số lƣợng IGBT: nhóm x nhánh x IGBT nhánh nhỏ = 64 Biến áp cách ly: cái/DAB x nhánh x nhóm = 16 Tụ lọc: cái/DAB x nhánh x nhóm = 16 Hệ thống quạt gió làm mát Hệ thống kết nối, điều khiển 53 Bảng 3.4 Bảng giá thành thiết bị Tên thiết bị Tiền ($) SL Giá thành ($) IGBT + Modul 200A – 600V [12] 64 87 5,440 Biến áp cách ly 15kW – 450V [13] 16 150 2,400 Tụ lọc [14] 16 99 1,584 Dây kết nối loại (dây điều khiển dây động lực) 1,000 Hệ thống làm mát + Các thiết bị phụ trợ 200 Cơng + chi phí khác 10,000 Tổng 20,624 Chi phí bảo dƣỡng 10% Tổng chi phí Giá $ = 22000đ 2,063 22,686 499,100,800 3.5.2 Tính tốn lượng tiêu hao nhiên liệu cho kW điện AQ tàu neo đậu cảng sử dụng nguồn diesel MFĐ để nạp cho AQ, thời gian nạp bổ sung cho AQ có tổng thời gian nhƣ hình 2.2 Lƣợng tiêu hao nhiên liệu thực tế diesel cho 205 lít Nếu tính cho thời gian hoạt động khoảng 19h mức tiêu hao nhiên liệu 3895 lít Từ sơ đồ thời gian nạp hình 2.2 ta suy đƣợc tổng công suất cần nạp cho AQ [(3600 x 4) + (1800 x 1.5) + (900 x 1.5) + (400 x 11)] x 256 ≈ 5,850MW Do ta quy đổi để đƣợc 1kW điện tiêu tốn 0.67 lít Năng lƣợng chuyển đổi đƣợc tính nhƣ sau: Hiệu suất chuyển đổi 0,85 Hiệu suất chuyển đổi máy phát điện 0,95 Hiệu suất động DC lai máy phát 0,9 Năng lƣợng từ AQ thu 20h (256 x 800) x x 20 = 8,2MWh Điện thu đƣợc đầu máy phát là: 8200 x 0,85 x 0,95 x 0,9 = 6MWh Với giá dầu 13,720đ/lít giá 1kW điện nạp cho AQ chạy MF diesel 9135đ/kW Tổng lƣợng dầu tiêu hao để sản xuất 6MW 53,439 triệu đồng Với tàu năm có lần xả tổng cộng tàu có tất 24 lần xả năm Do đó, số tiền tiết kiệm năm vào khoảng 1,28 tỷ đồng Nếu tuổi thọ xả làm việc -7 năm ta thu số tiền tƣơng ứng khoảng từ 6,24 – 8,97 tỷ 54 3.6 Kết luận chƣơng Chƣơng tập trung tính tốn giá trị điện áp dòng điện nhánh nhỏ chuyển đổi nhằm đƣa giải pháp phù hợp việc lựa chọn linh kiện đảm bảo đầy đủ công suất giảm giá thành sản phẩm Đặc biệt lựa chọn mạch DAB truyền cơng suất đƣợc cho hai chiều việc tính tốn cụ thể cần thiết để lựa chọn góc mở độ lệch hai cầu dẫn nhằm xác định hƣớng truyền công suất qua mạch Trên sở lý thuyết chung điện tử công suất, chuyển đổi DC-DC cách ly thực tế tính tốn để đảm bảo cho hƣớng truyền công suất theo chiều từ AQ đến phụ tải, không cần truyền công suất ngƣợc lại góc φ = ÷ π Qua phần tính tốn cho thấy chi phí cho lần nạp AQ tƣơng đối lớn lƣợng thu hồi phục vụ lại trình nạp cho hệ thống AQ khác vừa tiết kiệm nguồn tài nguyên hóa thạch dầu diesel, vừa giảm thiểu khí thải mơi trƣờng tiết kiệm đƣợc nguồn tài vơ lớn cho hoạt động quân Với năm hoạt động đặn tàu Hải quân việc thu hồi đƣợc chi phí đầu tƣ ban đầu nhanh 55 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở tính tốn lý thuyết thực tế luận văn cho thấy việc thu hồi lƣợng từ AQ tàu Hải quân có nhiều phƣơng pháp để thực Tuy nhiên giải pháp dùng chuyển đổi DC-DC dùng mạch DAB mạch chuyển đổi nguồn điện DC điều chỉnh đƣợc dòng điện đầu ổn định cung cấp nguồn cho động DC để quay MFĐ Hệ thống có nhiều mặt ƣu điểm nhƣ tận dụng đƣợc trang thiết bị sẵn có đơn vị (MFĐ, động DC dự phòng quay chân vịt, chuyển đổi điện áp nạp cho AQ) cung cấp lại nguồn điện nạp cho AQ khác từ nối lƣới điện áp MFĐ tạo sin không gây hại nhiều cho lƣới, thiết bị cồng kềnh kết cấu nhƣ gây tổn thất nhƣng đảm bảo làm việc tin cậy an toàn cho toàn thiết bị khác Trong chƣơng lý thuyết liên quan đến đặc tính AQ axít nói chung AQ tàu Hải qn nói riêng Những đặc thù riêng biệt AQ tàu nguồn lƣợng có quy định nghiêm ngặt khai thác bảo quản Quá trình bảo dƣỡng AQ cần phải phóng xả nguồn lƣợng để giải phóng điện tử bám vào cực AQ, xả nguồn lƣợng lớn tiêu hao vơ ích thơng qua quay hai động lai chân vịt quay ngƣợc chiều tàu neo bến đốt nóng nƣớc biển suốt thời gian 20h Với chƣơng luận văn đƣa phƣơng án nhằm thu hồi lƣợng xả AQ, yêu cầu đòi hỏi phải cách ly đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống thiết bị nhƣ tận dụng trang thiết bị có chƣơng đƣa phƣơng án sử dụng chuyển đổi cách ly DC-DC để cấp nguồn với dịng điện khơng đổi cho động DC quay MFĐ xoay chiều Với phần lý thuyết đƣa trƣờng hợp sử dụng chuyển đổi DC-DC có cách ly theo nguyên lý mạch DAB (Dual Active Bridge) có nhiều ƣu điểm nhƣ chia thành nhiều nhánh nhỏ, điều khiển đƣợc dòng điện điện áp đầu ra, chuyển mạch mềm tổn hao…Mỗi nhánh nhỏ chịu dòng điện khoảng 50A, với dịng điện q trình làm mát thiết bị đơn giản Phần nội dung cịn lại luận văn tính tốn giá trị linh kiện mạch DAB bao gồm thiết bị chủ động bị động mạch thông qua để tính tốn giá thành cho chi phí phải bỏ làm sở tính tốn giá trị kinh tế mang lại cho toàn hệ thống trình thu hồi lƣợng Kết cho thấy lợi ích mang lại lớn kinh tế nhƣng quan trọng kéo dài đƣợc tuổi thọ động làm việc tàu, có chế cụ thể nối lƣới điện 56 quốc gia phƣơng pháp an tồn khơng gây nhiễu sóng hài nhƣ dùng chuyển đổi điện tử công suất lớn Là hoạt động quân ứng dụng vào thực tế cần có nhiều đánh giá ảnh hƣởng đến an toàn thiết bị, mục đích hƣớng nghiên cứu đƣa giải pháp cách ly ảnh hƣởng lẫn hai nguồn AQ khác đảm bảo an toàn cao cho thiết bị nguồn lƣợng Thực tế triển khai để thu hồi nguồn lƣợng xả AQ để tái tạo thành nguồn lƣợng có ích 57 Danh mục tài liệu tham khảo Tiếng việt [1] Cục Kỹ thuật Hải quân, Quy tắc khai thác trang thiết bị điện tàu, 2006 [2] PGS.TS Nguyễn Huy Sinh, Giáo trình nhiệt học, NXB giáo dục [3] Nguyễn Văn Liễn – Bùi Quốc Khánh, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Bính , Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học - kỹ thuật [5] PGS.TS Nguyễn Phùng Quang, MATLAB – Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển tự động , NXB KH & KT Hà Nội, 2006 Tiếng anh [6] https://vi.wikipedia.org/wiki/IGBT [7] Bengt Johansson, Improved Models for DC-DC Converters [8] J David Irwin, Power electronics the handbook [9].W Kramer, S Chakraborty, B Kroposki, and H Thomas, Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems Một số báo IEEE [10] Abdelhafid EI Bouhal, Isolated Bi-directional DC-DC Converter for a PEM Fuel Cell nergy Management System EPE 2005-05 [11] RERUCHA Vladimir, BI-DIRECTIONAL DC-DC CONVERTERS FOR SUPERCAPACITOR BASED ENERGY BUFFER FOR ELECTRICAL GEN-SETS Các trang web tham khảo giá [12] http://www.ebay.com/bhp/igbt-module [13] https://dir.indiamart.com/impcat/single-phase-isolation-transformer.html [14] http://www.mouser.vn/Passive-Components/Capacitors/Aluminum-ElectrolyticCapacitors/Aluminum-Electrolytic-Capacitors-Screw-Terminal/_/N-75hqz ... TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ XUÂN CHÂU NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60.52.50 LUẬN... 55 Danh mục tài liệu tham khảo 57 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ẮC QUY TRÊN TÀU HẢI QUÂN Học viên: Lê Xuân Châu Chuyên ngành: Kỹ thuật điện... – Vận hành hiệu ắc quy tàu Hải quân yêu cầu cấp thiết hoạt động tàu quân Quá trình xả lƣợng từ ắc quy tái tạo nguồn lƣợng giải pháp tiết kiệm lƣợng giảm chi phí q trình vận hành tổ hợp ắc quy