Những thông số cơ bản của hệ thống điện năng tàu thủy bao gồm dòng điện các cấp điện ápvaf tần số , nhưng thông số này cần phải dược lựa chọn sao cho thỏa mãn ở mức độ cao nhất với những yêu cầu về độ chắc chắn tin cậy về tính kinh tế , an tồn về vấn đè vận hành khai thác
a)Loại dòng điện
Ngày nay do khi sử dụng dòng xoay chiều có rất nhiều ưu điểm hơn so với Yếu tố quyết định để chọn loại dòng điện cho một hệ thống điện năng tầu thủy là yêu cầu của các phụ tải điện năng trên tàu đó .
Như vậy trên tàu hầu hết các phụ tải điện năng tiêu thụ sử dụng dòng xoay chiều thì dịng điện cỏ bản phai là dòng xoay chiều, còn số it phụ tải dùng dịng một chiều thì ta có thể dùng bộ chỉnh lưu hoặc các phụ tải dùng dòng một chiều ta phải chọn là dòng xoay chiều . còn số it ta phải dùng bộ nghịch lưu
Hiện nay người ta đã quyết định dùng dịng xoay chiều là chính xuất phát từ quan điểm chắc chắn đơn giản , trong lương nhỏ , giá thành thấp của các loại máy điện khí cụ điện của các thiết bị phân phối lưới điện xoay chiều
Nếu so sánh giũa thiết biij điện xoay chiều và một chiều người ta rut ra các kết luận sau : + Độ vững bền của các thiết bị điện : Thiêt bị điện xoay chiều chắc chắn hơn thiết bị một chiều đặc biệt là các động cơ roto lồng sóc và các khí cụ khởi động đơn giản hơn . Khi sử dụng dịng xoay chiều ta có thể phân chia được mạng động lực và mạng chiếu sáng nhờ máy biến áp
+ Kicks thước trọng lượng của các thiết bị điện: Trọng lượng của máy phát xoay chiều và một chiều gần bằng nhau, nhưng trọng lượng của các đông cơ xoay chiều thì nhỏ hơn động cơ một chiều
+ Lưới điện o cung cấp điện áp thì cáp dẫn cuae xoay chiều và một chiều như nhau , nhưng khi tăng điên áp của lưới điện xoay chiều thì trọng lượng kicks thước giảm đi rất nhiều .
+ Điều chỉnh tốc độ của đơng cơ một chiều có ưu điểm lớn hơn so với động co xoay chiều ( láng và gới hạn rộng ) tuy nhiên ưu điểm này trên tầu thủy khơng có tác dụng nhiều và trên tầu thủy có thể đảm được bằng các động cơ lồng sóc 2, 3 , 4 tốc độ . Các động cơ này có cấu tạo đơn giản và hoạt động chắc chắn hơn so với đông cỏ một chiều . Mặt khác việc điều chỉnh tốc độ bằng các biến tần và các bộ biến đổi Tyristor đã đáp ứng được giống như động cơ một chiều
b)Chọn điện áp
Hiện nay nếu sử dụng dịng một chiều thì thường có các cấp điện áp sau : 220V,110V,24V,12V.
=>Nguồn một chiều :230V,115V,28V,14V.
Nếu sử dụng dịng xoay chiều thì :440V,60Hz ;380V,50Hz ;220V,127V,24V,12V. =>Nguồn xoay chiều :450V,400V,230V,133V,28V,14V.
Trị số của điện áp định mức trong hệ thống được chọn nó phụ thuộc vào cơng suất của nó và khoảng cách truyền năng lượng từ nguồn tới nơi tiêu thụ.
Chọn điện áp là tiêu chuẩn cơ bản để xác định trọng lượng của cáp dẫn : -Với dòng một chiều : I=P/U
-Với dòng xoay chiều : I=P/ 3.U.Cos Hiện nay trên tàu thủy :
Mạch động lực xoay chiều : 440V,60Hz hoặc 380V,50Hz. Mạch chiếu sáng :220V với tàu chở hàng ;127V với tàu chở dầu. Mạch điều khiển :24V hoặc 12V
Xu thế hiện nay để rút nhỏ trọng lượng và kích thước của thiết bị điện (và giữ nguyên công suất) người ta tăng điện áp công tác của các thiết bị đó .Tuy nhiên vấn đề này lại mâu thuẫn với vấn đề an toàn cho con người và thiết bị.Do vậy người ta cần phải quan tâm đến hai vấn đề đó sao cho phù hợp nhất.
c)Chọn tần số
Ngày nay mạng điên công nghiệp trên thế giới nếu sử dụng điện áp 400V thì sử dụng
tần số 50 Hz,cịn nếu sử dụng điện áp 450V thì sử dụng tần số 60Hz và trên tàu thủy cũng như vậy.
Do mức độ điện khí hóa và tự động hóa ngày càng cao thì vấn đề về trọng lượng và kích thước của thiết bị điện gây khó khăn nghiêm trọng cho việc bố trí lắp đặt trên tàu thủy vì vậy việc giảm kích thước,trọng lượng của thiết bị không những chỉ tính đến việc tăng điện áp mà cịn phải tính đến việc tăng tần số của nguồn điện .Khi tăng tần số ta có thể giảm được trọng lượng và kích thước của máy điện
Ví dụ: n=60f/P ;Nếu P=1 ;f=50Hz =>n=60.50=3000v/p
Nếu f=400Hz
=>n=60.400=24000v/p
Cơng suất của một máy quay bất kì tỉ lệ với tích mơ men quay và tốc độ quay : PM.n Khi tăng n thì M giảm đi để giữ cho P=const
Mà :MF.d (F chính là cánh tay địn,d là đường kính rơto).Khi giảm M và giữ F=const thì d giảm =>giảm kích thước rơto =>stato giảm =>giảm vật liệu.
Tuy nhiên với các vật liệu chế tạo ra vòng bi ,bạc,trục chỉ cho phép tốc độ quay lên đến 12000v/p như vậy nếu tăng tốc độ từ 3000v/p lên 12000v/p ta có thể giảm được trọng lượng 2,53,5 lần và kích thước giảm đi 2 lần
2.2. Các ngun tắc và phương pháp tính chọn cơng suất trạm phát
1. Các nguyên tắc tính chọn
Sự gia tăng của các thiết bị điện trên tầu dẫn dến sự gia tăng công suất yêu cầu cấp cho các phụ tải điện . Điêu đó liên quan đen sự gia tăng công suất trạm suất điện tầu thủy . Q trình tính chọn cơng suất và số lượng máy phát cho các trạm phát điện theo các nguyên tắc về kinh tế và kĩ thuật sau đây :
- Công suất và số lượng các máy phát cần thoả mãn giá thành bình quân hàng năm của
- Khi tính chọn cơng suất của các máy phát tùy từng trường hợp mà ta chọn công suất P
hay là công suất S
-Khi tính chọn số lượng máy phát cần phải có một nhóm máy dự trữ.Cơng suất của nhóm máy này cho phép ta có thể thay thế khi một trong bất kì nhóm máy nào của trạm hư hỏng.Tổng công suất nguồn cần phải đủ để có thể khởi động được các động cơ điện có cơng suất lớn nhất với dịng khởi động lớn nhất.
-Khi tính chọn cơng suất và số lượng của các máy phát thì đối với các nhóm máy cần phải giống nhau về công suất và có cùng một kết cấu để cho việc khai thác được dễ dàng hơn.Cho phép tổn hao của mỗi nhóm máy phát bằng nhau,đồng nhất hố u cầu của các bộ phận dự trữ và làm tăng tính ổn định khi các máy phát công tác song song .
2. Các phương pháp tính tốn cơng suất trạm phát điện tàu thuỷ
Công suất tiêu thụ trên tàu thủy phụ thuộc vào các chế độ công tác khác nhau của tàu
nên để tính tốn cơng suất của trạm phát người ta thường chia ra các chế độ công tác sau : -Chế độ tàu đứng trong cảng khơng bốc xếp hàng hóa bằng cần cẩu của tàu
-Chế độ tàu đứng trong cảng có bốc xếp hàng hóa bằng cần cẩu của tàu Chế độ tàu hành trình trên biển
-Chế độ điều động -Chế độ sự cố
Để tính cơng suất của trạm phát ngày nay người ta có các phương pháp sau -Phương pháp bảng tải
-Phương pháp phân tích (phương pháp gần đúng) -Phương pháp thống kê
-Phương pháp máy tính
*Phương pháp bảng tải :
Trên tàu có rất nhiều loại phụ tải điện năng,các phụ tải được xác định bằng công suất định mức.Tải của trạm phát phụ thuộc vào số lượng công tác thực tế,vào mức độ tải,vào chế độ công tác của tàu,vào tính chất của nhóm phụ tải.
Như vậy cơng suất cực đại của một nhóm phụ tải nào đó được xác định như sau : Pmax=Kđt.Kt.∑Pv
Trong đó :Kđt là hệ số đồng thời :hệ số đồng thời là tỉ số giữa số phụ tải đang công tác thực trong chế độ cơng tác đang kiểm sốt trên tổng số phụ tải trong nhóm đó (với điều kiện cơng suất của các phụ tải bằng nhau).
Ví dụ :nhóm phụ tải cần cẩu 5 được mồi động cơ 25KW .Giả sử thực tế làm việc 3 động cơ =>Kđt=3/5=0,6
Nếu cơng suất khơng bằng nhau thì hệ số đồng thời bằng tỉ số giữa tổng công suất của những cái công tác trên tổng cơng suất tồn tàu.
Kt :là hệ số tải :bằng tỉ số của công suất thực tế máy đang công tác trên cơng suất định mức của nó.
Pv :công suất nhận từ mạng của một động cơ nghĩa là công suất mà động cơ nhận được từ mạng khi nó đang cơng tác với tải định mức.
∑Pv= ∑Pđm/η với η là hiệu suất của phụ tải đó Đối với các phần tử chiếu sáng hay phần tử đốt nóng khác thì ∑Pv= ∑Pđm
Ví dụ :Nếu kiểm sốt động cơ lái thủy lực thường có hai động cơ một cơng tác,một dự trữ.Chế độ hành trình Kđt=1/2=0,5.Hệ số tải Kt phải tính sao cho động cơ lái có mơ men định mức gần bằng mô men cản cực đại trên bánh lái khi nó chuyển dịch hồn tồn với tốc độ cực đại của nó.Như vậy trong chế độ hành trình bình thường Kt=0,20,4 ;trong chế độ điều động có thể Kt=1.Như vậy khi chúng ta xác định được Kđt ,Kt ,Pv cho toàn bộ các phụ tải trên tàu,cho từng chế độ công tác chúng ta sẽ có được tổng cơng suất cần thiết.
Theo phương pháp bảng tải tất cả các phụ tải điện trên tàu được chia ra các nhóm cùng loại ghi rõ số lượng phụ tải trong mỗi nhóm,cơng suất đơn vị cần thiết của phụ tải,hiệu suất Cosφ…
Khi xác định công suất phản kháng Q của một phụ tải theo biểu thức :Q=P.tgφ
Trong đó φ sẽ biết được dựa vào Cosφ ta đã biết.Sau khi xác định được Q ta sẽ xác định được cơng suất biểu kiến S2=P2+Q2 và ta có Cosφtb=P/S ;P=S.Cosφ ;Q=P.Sinφ
Khi chọn số lượng công suất của trạm phát ta dựa vào công suất tiêu thụ trong các chế độ công tác của tàu.Máy phát lựa chọn khi cơng tác phải có hiệu suất cao nhất nhưng phải có khả năng chịu tải trong mọi chế độ công tác
Theo yêu cầu trạm phát phải có cơng suất dự trữ để phịng trường hợp tăng số phụ tải nhỏ mà trước đây chưa tính đến hoặc dự trữ để khi khởi động động cơ dị bộ…nên công suất dự trữ để 2025% thường 25% và thêm 5% tổn hao trên lưới điện
Theo kinh nghiệm thì số lượng máy phát được chọn đối với những tàu hàng thường từ 24 cái là hợp lí nhất.Phải có máy phát dự trữ với cơng suất sao cho một trong các máy phát bất kì bị sự cố thì nó có thể thay thế để đảm bảo cơng tác bình thường của tàu .Thường người ta chọn các máy phát trong trạm phát giống nhau để tăng thêm độ ổn định khi công tác song song và tiện lợi cho việc thay thế các phụ tùng dự trữ
Nếu trong chế độ tàu đứng khơng bốc xếp hàng hóa mà một máy phát công tác vẫn thừa cơng suất nhiều thì ta nên chọn một máy phát có cơng suất nhỏ hơn phù hợp với chế độ đó,máy phát đó người ta gọi là máy phát cản (máy phát sự cố).
Chọn máy phát xoay chiều dựa trên kết quả bảng tải thường thực hiện như sau :
Nếu Cosφtb tính được nhỏ hơn Cosφđm của máy phát thì dựa theo cơng suất biểu kiến S để chọn tổng công suất của máy phát.Cịn nếu Cosφtb tính được lớn hơn Cosφđm của máy phát thì dựa theo công suất tác dụng P để chọn.
+Nếu Cosφtb<CosφđmMF thì dựa vào S để chọn
Stt=Ptt/ Cosφtb SđmMF=PđmMF/CosφđmMF Chọn Ptt= PđmMF
Cịn Stt = SđmMF thì Ptt< PđmMF =>khơng sao +Nếu Cosφtb > CosφđmMF thì dựa vào P để chọn Chọn Stt=SđmMF
Ptt=Stt.Cosφtb PđmMF=SđmMF.CosφđmMF Ptt>PđmMF =>quá tải
Kết luận : phương pháp bảng tải không những cho phép xác định được công suất trạm phát,số lượng máy phát mà có thể xác định được công suất của từng máy phát và của trạm phát sự cố.Nhược điểm chính của phương pháp này là sự khơng chính xác của các hệ số tải Kt,hệ số đồng thời Kđt,chưa có cơ sở khoa học để xác định nên dễ bị nhầm lẫn.Tính tốn cơng suất trạm phát phải đảm bảo được các yêu cầu sau :
-Đủ công suất để cung cấp liên tục cho các phụ tải hoạt động trong mọi chế độ công tác của tàu
-Phải đảm bảo tính kinh tế cao
-Bảo dưỡng dễ dàng và thuận tiện cho người phục vụ
Kinh nghiệm chọn các hệ số như sau :Hệ số đồng thời Kđt của các nhóm phụ tải phục vụ máy chính và buồng máy có máy dự trữ thì thường là 0,5.Hệ số Kt đối với nhóm thứ nhất thì Kt=0,70,8.Nhóm chiếu sáng Kt=1.Động cơ máy lái,chế độ hành trình Kt=0,30,5.Chế độ điều động Kt=0,81.La bàn thường Kt=0,7.Quạt gió buồng máy Kt=0,9…
*Phương pháp phân tích :
+Ưu điểm: Đơn giản và phần lớn dựa trên cơ sở tổng hợp tài liệu vận hành các trạm phát điện tàu thủy trên những kết luận sau đây :đồ thị tải của trạm phát một ngày đêm không phụ thuộc vào loại tàu,mục đích của tàu và rất ổn định,sự tiêu tốn năng lượng trong các chế độ công tác của tàu gần như khơng đổi và được quyết định bằng các nhóm phụ tải quan trọng như nhóm buồng máy,nhóm phục vụ máy chính,nhóm trên boong.Phương pháp này chủ yếu dựa vào các chế độ công tác của tàu.
+Chế độ tàu hành trình:
Qua thống kê phụ tải của trạm phát được xác định như sau :Ptb=6+0,024.N (1) trong đó N là cơng suất của máy chính tính bằng KW
Nếu tính cơng suất của phụ tải công tác ngắn hạn bất thường như bơm cứu hỏa,bơm chống đắm làm tăng thêm một lượng công suất tiêu thụ thì ta phải cộng thêm vào một lượng Ptb trên một lượng phụ tải lớn nhất có thể có :
Pht=6+0,024.N+Pngh (2)
Pngh là công suất của phụ tải hoạt động ngắn hạn lớn nhất.Nó sẽ đáp ứng cho nhu cầu sinh hoạt của thuyền viên (bếp điện ,thơng gió,điều hồ...).Nếu tổng cơng suất cho yêu cầu
sinh hoạt lớn hơn công suất tải ở chế độ ngắn hạn thì biểu thức tính sẽ là : Pht=6+0,024.N+∑Psh (3)
Công suất tiêu thụ của trạm phát trong chế độ hành trình chủ yếu là phục vụ cho máy chính nên cơng suất máy chính càng lớn thì phụ tải phục vụ cho máy chính càng lớn
Nếu trong trường hợp các phụ tải phụ đang hoạt động công suất của trạm phát khơng sinh thừa hoặc có thể bị q tải ở mức độ nào đó thì hệ thống bảo vệ quá tải của trạm phát sẽ tự động cắt bớt các phụ tải khơng quan trọng (điều hịa,bếp,quạt gió sinh hoạt)
+Chế độ tàu đứng khơng bốc xếp hàng hóa :đồ thị tải cũng rất ổn định,công suất yêu cầu trong chế độ này tỉ lệ với trọng tải của tàu :Ptb=11+0,002.D (4) trong đó D là trọng lượng nước chống của tàu tính bằng tấn
Để đảm bảo đủ công suất khi tải ngắn hạn làm việc (bơm cứu hỏa,bơm dầm tàu…) : Pđo=11+0,002.D+Pngh (5)
+Chế độ tàu đứng có bốc xếp hàng hóa có đồ thị tải trạm phát mang tính nhảy vọt đột biến dao động trong giới hạn từ mức công suất trong chế độ tàu đứng không bốc xếp hàng hóa đến một giá trị ngắn hạn cực đại nào đó.Sự thay đổi này phụ thuộc vào loại hàng bốc xếp,cường độ bốc xếp và số lượng tời hàng công tác.
Pt.hàng=Kc. n 1 ) vðm . Gðm . 147 , 0 ( =(0,53+1,05/n). n 1 ) vðm . Gðm . 147 , 0 ( (6) Kc :là hệ số nhu cầu
n :số lượng tời hàng công tác
Gđm :trọng tải định mức của tời hàng (Kg) vđm :tốc độ nâng định mức (m/p)
Để đủ công suất cho chế độ tàu đứng có bốc xếp hàng hóa ta phải có :Pđx=Pđo+Pth Trong đó Pđo :cơng suất u cầu của tàu đứng khơng bốc xếp
Pth :công suất của tời hàng
Pđx=11+0,002.D+Pngh+(0,53+1,05/n). n 1 ) vðm . Gðm . 147 , 0 ( (7)
+Chế độ điều động :đồ thị tải của trạm phát không ổn định (mối quan hệ giữa P với thời gian trong 24h) nó thuộc vào đặc điểm của điều động.Công suất cần thiết trong chế độ điều động phải đảm bảo cho tất cả các máy phát hoạt động kể cả máy dự trữ để đảm bảo