2.1. Khái niệm chung , yêu cầu đối trạm phát điện tầu thủy và phân loại trạm phát
điện tầu thủy 1.Khái niệm chung
Trạm phát điện tàu thủy là nơi biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng
điện tập trung trên bảng điện chính và từ đó phân bố đến các phụ tải trên tàu . Trạm phát cơng tác trong mơi trường có độ ẩm, hơi muối cao , dung lắc mạnh …
Vì vậy các yêu cầu cơ bản đối với trạm phát điện tàu thủy phải kể đến :
-Phải đảm bảo đủ công suất cấp cho các phụ tải trong chế độ nặng nhất của tàu ( trong chế độ sử dụng công suất lớn nhất của tàu ).
-Phải có khả năng cơng tác tốt trong các điều kiện khắc nghiệt như :độ rung lớn, chấn động cao,tàu nghiêng và lắc trong điều kiện tác động của hơi muối và hơi dầu,trong điều kiện thay đổi nhiệt độ lớn…
-Phải đảm bảo độ tin cậy cao,cung cấp năng lượng điện liên tục (không được gián đoạn) trong q trình cơng tác của tàu.
-Có khả năng ổn định tốt được trong các điều kiện công tác ở chế độ động (thường xuyên khởi động các động cơ có cơng suất lớn).
Xu thế phát triển của trạm phát điện tàu thủy :
-Ngày càng có mức độ tự động hóa cao và dẫn đến tự động hóa tồn phần.
-Công suất của trạm phát điện tàu thủy ngày càng tăng do mức độ điện khí hóa ở trên tàu thủy ngày càng cao.
2. Về phân loại trạm phát điện tàu thủy như sau :
Để phân loại trạm phát điện tầu thủy hiện nay quốc gia có những quan điêm khác nhau nhung vẫn dựa trên các cơ sơ sau .
+Phân loại dựa trên cơ sở nghiệp vụ :
-Trạm phát chung cung cấp năng lượng cho toàn mạng -Trạm phát cung cấp năng lượng cho quay chân vịt -Trạm phát sự cố
+Phân loại dựa theo loại dòng điện : -Trạm phát điện xoay chiều
-Trạm phát điện một chiều
+Phân loại trạm phát theo mức độ tự động :
-Cấp A2 :không cần trực ca ở buồng máy nhưng phải trực ca ở buồng điều khiển.Những hệ thống tự động thường gặp trên các tàu này là điều khiển từ xa máy chính,tự động điều khiển từ xa máy phát,tự động phân bố tải vô công hữu cơng,tự động hịa đồng bộ điều chỉnh điện áp và tần số.
-Cấp A3 :các loại tàu thường xuyên ở buồng máy,việc điều khiển,vận hành,kiểm tra phần lớn bằng tay
+Phân loại trạm phát dựa trên cơ sở truyền động :
-Trạm phát được truyền động bằng các động cơ đốt trong
F4 F3 F2 F1 -Trạm phát được truyền động hỗn hợp F4 F3 F2 F1 -Trạm phát đồng trục F2 F1
3.Chọn các thông số cho trạm phát điện .
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 toàn về vấn đè vận hành khai thác
a)Loại dòng điện
Ngày nay do khi sử dụng dịng 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 dịng 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 cơng 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 khơng 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
Công 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 nguyên tắc và phương pháp tính chọn cơng suất trạm phát
1. Các ngun 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 cơng suất trạm suất điện tầu thủy . Quá 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 cơng 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 yêu cầu của các bộ phận dự trữ và làm tăng tính ổn định khi các máy phát cơng 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 cơng 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 cơng 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 mơ 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 công 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 cơng 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 cơng 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 không 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.