Гребные электрические установки

1) Содержание.docx

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЭУ5
ОСНОВНЫЕ КАЧЕСТВА ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК10
1 Характерные особенности ГЭУ10
СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ20
ПЕРВИЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ44
2. Паровые турбины48
3. Газовые турбины50
ТОПОЛОГИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ГЭУ РАЗЛИЧНЫХ СУДОВ 54
1 Состав оборудования и схем ГЭУ54
2 Компоновка оборудования ГЭУ57
3 Особенности ГЭУ различных судов60
4 Условия работы надежность живучесть61
ТРЕБОВАНИЯ К ГРЕБНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ64
2 Определения и пояснения65
3 Структура гребных электрических установок (ГЭУ)65
4 Системы возбуждения66
5 Электромагнитная совместимость (ЭМС) ГЭУ67
6 Первичные двигатели генераторов ГЭУ68
8 Распределительные щиты ГЭУ70
9 Силовые трансформаторы ГЭУ70
10 Полупроводниковые преобразователи ГЭ72
11 Фильтрация гармонических составляющих73
12 Гребные электрические двигатели (ГЭД)74
13 Специальные требования к погружным поворотным гребным электрическим двигателям75
14 Системы управления гребными электрическими установками78
15 Электрические муфты83
СТРУКТУРЫ СИЛОВЫХ СХЕМ ГЭУ РАЗЛИЧНЫХ СУДОВ84
1 Атомный ледокол «Арктика»84
2 Дизель-электрические ледоколы типа «Ермак»89
3 Паром «Дойчланд»91
4 Пассажирское судно на 300 человек92
5 Рудовоз-контейнеровоз для Арктики95
6 Гребная электрическая установка с пропульсивной системой Азипод97
7 Проект МСТ (морской сухогрузный транспорт)97
8 ГЭУ морского буксира с единой электроэнергетической системой (ЕЭЭС) 126
9 Система электродвижения ледокола с ЕЭС 168
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГЭУ176
1 Общие вопросы оптимизации контура регулирования ГЭУ176
2 Оптимизация системы регулирования ГЭУ постоянного тока185
3 Двухзонное регулирование скорости гребного двигателя постоянного тока196
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ206

2) Введение.docx

Электродвижение судов известно давно но в последнее время в связи развитием силовой полупроводниковой техники микропроцессорного управления применение таких систем становиться весьма заманчивым практически для всех классов судов. Здесь в качестве привода движителя используется тот или иной электрический двигатель с аппаратурой управления и полупроводниковыми преобразователями. Развитие электротехники предопределило новые решения в гребных электрических установках которые обеспечивают высокую маневренность корабля экономичность присохранение надежности и живучести.
Под гребными электрическими установками (ГЭУ) здесь будут пониматься системы в которых привод того или иного движетеля осуществляется от электродвигателя.
Здесь собраны материалы по истории развития ГЭУ характеристикам судовых движителей (винтовых крыльчатых). Даны основные разработки и характеристики первичных двигателей ГЭУ. Рассмотрены основные схемы построения силовых цепей для систем постоянного постоянно – переменного и переменно-переменного токов. Проведен анализ гребных электрических установок действующих и проектируемых судов. Рассмотрены конкретные решения современных систем электродвижения. Предложена методика расчета систем автоматического управления на базе подчинённого регулирования параметров.
Целью данной работы является изучение гребных электрических установок систем управления составных частей ГЭУ принципов построения а также сравнительный анализ систем различных судов (в том числе и проектов).

Основной.docx

1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЭУ
Электродвижение судов зародилось почти 150 лет назад в России и связано с именем известного ученого академика Б.С. Якоби который первым осуществил этот вид движения судов. В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый электродвигатель с непрерывным вращательным движением а в 1838 г. применил для вращения гребных колес лодки изобретенный им двигатель постоянного тока. 13 сентября 1838 г. начал ходить по Неве первый в мире электроход. Это был небольшой катер с гребными колесами приводящимися во вращение электромагнитным двигателем постоянного тока мощностью 0736 кВт. Батарея сначала состояла из 120 элементов Даниэля а затем из 128 элементов Грова. С 14 пассажирами лодка имела скорость 4 кмч. Изобретение электрохода было правильно оценено современниками как большое событие.
Однако зачаточное состояние электротехники и электромашиностроения России того периода не привело к сколько-нибудь широкому внедрению электродвижения. В 60 - 80-х годах прошлого столетия идея электропривода движителей нашла последователей в других странах Европы. Для более удобного регулирования скорости судна независимо от судового двигателя работающего с большим экономическим эффектом при постоянной частоте вращения в 1893 г. была предложена во Франции электрическая передача от движителя к судовому винту. Подобное судно демонстрировалось на Брюссельском международном конгрессе в 1898 г.
В начале нового столетия возрождается электродвижение надводных судов в России. В 1903г. она стала родиной нового вида энергетических установок транспортных судов. В Петербурге был создан первый в мире теплоход «Вандал» (корпус постройки Сормовского завода) а в следующем году – теплоход «Сармат». Главные дизели были поставлены заводом «Русский дизель». Судно имело водоизмещение 1100 т 3 нереверсивных дизеля мощностью по 833 кВт соединенных с генераторами постоянного тока. Установка имела дистанционное управление с ходового мостика. Применение электродвижения на транспортных судах было вызвано стремлением использовать в качестве первичных двигателей дизели которые в то время строились нереверсивными..
Строительство турбоэлектроходов (до 1941 г.). В 1907 г. в Германии был построен первый турбоэлектроход. Судно имело машинную установку мощностью 885 кВт. Благоприятные данные полученные в результате испытаний опытного электрохода «Юпитер» (США 1913 г.) привели к применению электродвижения на относительно большом числе военных кораблей и судов транспортного флота. Только в США в период с 1916 по 1927 г. было построено 118 электроходов.
Характерным для турбоэлектроходов постройки этого периода (главным образом военных кораблей) являются относительно большая мощность гребной установки и применение асинхронных электродвигателей. Так суммарная мощность машинных установок 29 турбоэлектроходов оборудованных фирмой «Дженерал электрик компани» составила 41 400 кВт. Мощность турбоэлектрических установок авианосцев «Ленсингитон» и «Саратога» достигла 13 300 кВт каждой. Гребная установка состояла из 4-х турбогенераторов и восьми гребных асинхронных электродвигателей мощностью по 1656 кВт.
Военные корабли с турбоэлектрическими гребными установками и асинхронными электродвигателями строились в США до 1941 г.
В турбоэлектрических гребных установках транспортного флота наибольшее распространение получили синхронные гребные электродвигатели. Первое транспортное судно «Сан-Бенито» с одним синхронным электродвигателем мощностью 1840 кВт было построено в Англии в 1918 г. С 1918 по 1920 г. В Англии было построено еще 10 турбоэлектроходов с общей мощностью на валах 108 000 кВт. Для энергетических установок были использованы синхронные трехфазные генераторы и гребные электродвигатели.
Строительство дизель-электроходов (до 1941 г.). За период с 1927 по 1939 г. брутто – регистровый тоннаж турбоэлектроходов возрос с 85 384 до 495 689 т. Дизель – электрические гребные установки имели сравнительно небольшую мощность и ставились преимущественно на судах вспомогательного флота причем применялся исключительно постоянный ток.
Развитию дизель – электрических гребных установок на переменном токе длительное время препятствовали трудности связанные с необходимостью группового синхронного регулирования частоты вращения всех параллельно работающих дизель – генераторов питающих гребной электродвигатель на всех режимах работы. В 1936 г. В Германии был построен крупный дизель-электроход «Вупперталь» (водоизмещение 16 500 т скорость 164 уз) с дизель-электрической гребной установкой на трехфазном переменном токе. На судне впервые была применена параллельная работа дизель – генераторов для питания гребного электродвигателя. Гребная установка состояла из трех дизель – генераторов мощностью по 1900 кВА напряжением 2200В при частоте вращения 250 обмин главного гребного электродвигателя синхронного типа мощностью 5000 кВ-А и вспомогательного асинхронного гребного электродвигателя мощностью 550 кВА. Оба электродвигателя вращали один гребной винт. Установка вполне себя оправдала и на основании полученного опыта были построены дизель – электроходы «Партия» (Россия) «Роберт Лей» «Озорно» «Гуаскарн» «Монсератте» «Стейермарк» и др.
Таким образом развитие электродвижения судов до 1941 г. характеризуется:
а) разработкой основных вопросов теории проектирования и конструкции гребных электрических установок постоянного и переменного тока;
б)применением электродвижения на судах всех классов (турбоэлектрических гребных установок – на судах вспомогательного флота);
в) применением на транспортных судах почти исключительно синхронных гребных электродвигателей.
Строительство электроходов в период 1941 - 1945 гг. Особенно большое развитие в период второй мировой войны строительство турбоэлектроходов получило в США. Фирма «ДЖИИ» изготовила в 1943 г. оборудование для турбоэлектрических установок танкеров общей мощностью 662 000 кВт (221 000 кВт - в 1942 г.). Турбоэлектрические гребные установки применялись также для средних военных кораблей. При общем увеличении в мировом флоте числа судов с турбинными установками на 88% (в США - на 68%) и при общем увеличении тоннажа судов с турбинными установками на 95% (в США - на 67%) число турбоэлектроходов увеличилось в 124 раза а их тоннаж возрос в 112 раза. Общая мощность 2000 электроходов транспортного и военного флота построенных и находящихся в постройке в США по состоянию на 1945 г. по данным английской периодической печати составляла примерно 7 360 000 кВт. Из них 5 520 000 кВт приходилось на турбоэлектрические гребные установки. В Европе строительство турбоэлектроходов возобновилось с 1944 г.
В 1945 г. по сравнению с 1940 г. в мировом флоте число судов с дизель-электрическими приводами увеличилось (по неполным данным) в 28 раза. Тоннаж судов с дизельными установками соответственно увеличился в 206 раза а тоннаж дизель-электроходов - в 142 раза.
Развитие электродвижения судов в СССР в период после 1945 года.
В советском Союзе было построено и успешно эксплуатируется достаточно много электроходов на постоянном и переменном токе. Гребные электрические установки большинства из них базируются на быстроходных общепромышленных дизелях отечественного производства. Под наблюдением регистра СССР в эксплуатации находится свыше 600 электроходов. Из электроходов построенных в СССР следует отметить: серию сухогрузных судов типа «Днепрогэс» (1956 г.) суда типа «Амгуэма» (1962 г.) крупную серию буксиров типа «Иван Плюсин» (1961 г.) суда типа «Атлант» (1959 г.) серии паромов типа «Советский Азербайджан» (1962 г.) типа «Золотой рог» (1968г.) типа «Восточный» (1951 г.) типа «Сахалин-1» (1973 г.).
В послевоенный период были построены крупные серии судов промыслового флота в том числе дизель-электроходы типа «Актюбинск» (1956 г.) типа «Сибирь» (1963 г.) «Севастополь» (1959 г.) «Таврия» (1959 г.) серия производственных рефрижераторных судов с гребной электрической установкой (ГЭУ) переменного тока с синхронными гребными электродвигателями с головным судном «Зеленодольск» (1963 г.) серия промысловых судов типа «Алтай» (1969 г.) с ГЭУ переменного тока крупная серия китобойных судов типа «Мирный» а также пассажирский турбоэлектроход «Абхазия» пассажирский дизель-электроход «Боба-заде» много судов речного флота научно-исследовательские суда типа «Изумруд» (1970 г.) плавкраны типа «Астрахань» (1968 г.) и «Богатырь» (1971 г.) с ГЭУ переменного тока.
С участием советских специалистов на верфях зарубежных стран для СССР были построены и успешно эксплуатируются многие серии электроходов. В их число входят ледоколы серии «Капитан Белоусов» (1954 г.); мощные ледоколы-электроходы с ГЭУ постоянного тока «Москва» (1969 г.) «Ленинград» (1961 г.) Киев (1965 г.) «Мурманск» (1968 г.) «Владивосток» (1969 г.) «Ермак» (1974 г.); сухогрузные суда типа «Лена» (1954 г.); промысловые суда типа «Наталья Ковшова» (1968 г.) с ГЭУ переменного тока; серия морозильных сейнеров типа «Дружба» (1953 г.); зверобойные суда типа «Зверобой» (1973 г.) типа «Зея» (1969 г.); земснаряды типа «Черное море» (1964 г.).
Значительный рост электроходостроения в СССР после 1945 г. объясняется:
а) весьма успешным и быстрым восстановлением и ростом отечественной энергетической промышленности электромашино- и судостроения;
б) крупными достижениями отечественных ученых в разработке теории методов анализа динамики и расчетов современных и перспективных электроходов;
в) успешным решением задач комплексной подготовки кадров.
Строительство электроходов с ядерными электрическими установками. Приведенные выше предпосылки позволили в 1956 г. В Советском Союзе построить первый в мире ледокол – электроход «Ленин» с ядерной энергетической установкой (ЯЭУ). Более четверти века ветеран атомных электроходов успешно работает в сложных условиях Арктического бассейна.
В 1974 г. вступил в строй атомный ледокол «Леонид Брежнев» с принципиально новой системой электродвижения – с ГЭУ тока двойного рода мощностью 55 000 кВт. Высокая степень надежности и функционирования ГЭУ и ЯЭУ высокая квалификация и самоотверженная работа персонала позволили надводный арктический переход с достижением Северного полюса. Строительство уникальной ГЭУ какой является система электродвижения атомного ледокола «Леонид Брежнев» (и последующих атомных ледоколов «Сибирь» и «Россия») свидетельствует о больших достижениях советской научной и технической мысли энергомашиностроения и электроники.
Учитывая успехи энергетической промышленности в создании высокоэффективных газовых турбин с весьма малой удельной массой электромашиностроения в освоении мощных низкочастотных регулируемых электроприводов с синхронными машинами (ожидаемое освоение в ближайшей перспективе мощных электрических машин со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения) в промышленном освоении электрохимических генераторов а также выполненные теоретические исследования и расчетные разработки можно прогнозировать успешное внедрение принципиально новых систем электродвижения в настоящее время определились два реальных направления такого рода усовершенствования ГЭУ.
Первое направление состоит во внедрении систем электродвижения на переменном токе с полупроводниковыми преобразователями частоты (ППЧ) и гребными двигателями с вентильным принципом управления. В сочетании с парогазовыми высокоэкономичными агрегатами при весьма малых значениях удельных масс они позволяют получить ГЭУ со значением КПД сопоставимым с КПД установок с прямым приводом. Эти установки не имеют ограничений по мощности.
Второе направление заключается в использовании главных генераторов и гребных электродвигателей (ГЭД) со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения (синхронные и униполярные машины). Основное достоинство таких ГЭУ состоит не столько в том что во много раз уменьшаются размеры и масса машины сколько в том что применение первичных двигателей с малыми массой и размерами в сочетании с малогабаритными генераторами и ГЭД позволяет принципиально по-новому компоновать электрооборудование в машинном отделении.
Например расположение газотурбогенераторов в кормовой надстройке предельно приближает машинное отделение к кормовой части судна тем самым значительная часть помещения занимаемого энергетической установкой высвобождается для дополнительного приема груза.
Решение задачи охраны окружающей среды особенно на городских курортных акваториях и в заповедных бассейнах потребует использования гребных электрических установок с электрохимическими источниками электроэнергии.
ОСНОВНЫЕ КАЧЕСТВА ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1 Характерные особенности ГЭУ
Гребная электрическая установка (система электродвижения) представляет собой комплекс состоящий из сочетания первичных двигателей генераторов преобразователей гребных электродвигателей движителей аппаратуры управления регулирования защиты и блокировки предназначенный для движения судов.
Элементы комплекса электродвижения находясь во взаимодействии обеспечивают генерирование трансформацию распределение и потребление электроэнергии поэтому ГЭУ является специальной судовой электроэнергетической системой. Однако поскольку вся мощность генерируемая электростанцией ГЭУ затрачивается на обеспечение вращения движителей ГЭУ обладает свойствами электропривода.
Составные части комплекса электродвижения могут иметь несколько типовых форм: первичный двигатель (паровая или газовая турбина дизель газовый двигатель); гребной электродвигатель (постоянного тока синхронный асинхронный синхронно – асинхронный); преобразователи (управляемые или неуправляемые выпрямители полупроводниковые преобразователи частоты); движитель (гребной винт гребное колесо гребной ротатор); генератор. Различаются ГЭУ числом гребных валов главных генераторов гребных электродвигателей и их взаимной связью.
Каждый из этих элементов может иметь различное исполнение их число в системе может быть различным при этом возможно весьма большое число сочетаний типов и исполнений элементов системы. Возможность большого числа сочетаний основных элементов системы электродвижения представляет собой благоприятный фактор позволяющий выполнить ее весьма глубоко с учетом удовлетворения разнообразных требований по мощности роду тока системе регулирования коэффициенту использования мощности машин маневренности безотказности.
По сравнению с гребными установками других типов ГЭУ имеют две следующие характерные особенности: отсутствие жесткой механической связи между валами первичных двигателей и движителей и большое число факторов влияющих на выбор оптимальных параметров установки. Эти особенности дают возможность при проектировании подавлять отрицательные и усиливать положительные стороны ГЭУ.
Достоинства ГЭУ можно подразделить на две основные категории: проектировочного (а также конструктивного) и эксплуатационного характера.
Достоинства проектировочного и конструктивного характера. Они обусловливаются возможностью применить быстроходные первичные двигатели и главные генераторы; выбирать оптимальные параметры первичных двигателей и движителей; широко стандартизировать и унифицировать отдельные части установки; упрощать конструкции первичных двигателей используя их нереверсивные типы; уменьшать длину гребных валов; уменьшать длину главных паропроводов в случае ГЭУ с паропроводными турбинами; широко применять системы контроля и автоматики.
Быстроходные первичные двигатели применяют главным образом в дизель – электрических гребных установках (ГЭУД). Их сравнение проводится с дизельными гребными установками непосредственного соединения (ДГУ). При повышении частоты вращения дизелей например со 125 до 700 - 800 обмин относительная масса ДЭГУ уменьшается в 5 - 7 раз.
Возможность выбора оптимальных параметров одновременно первичных двигателей и гребных винтов объясняется следующими обстоятельствами.
В турбинных электрических гребных установках (ТЭГУ) отпадает необходимость в турбинах заднего хода а вместе с тем и опасность так называемого теплового удара т.е. повышения температуры пара в зоне рабочих лопаток этих турбин когда они в процессе реверса судна еще продолжают вращаться в направлении вращения переднего хода.
Опасность теплового удара вызывающего резкое увеличение длины лопаток заставляет часто выбирать пониженные параметры пара в неэлектрифицированных гребных установках и тем снижать эффективность их работы. В дизельных гребных установках чтобы избежать значительного снижения КПД гребных винтов приходится нередко выбирать частоту вращения первичных двигателей и винтов компромиссным образом снижая быстроходность двигателей и увеличивая угловую скорость винтов что все же приводит к уменьшению КПД винтов.
Широкая унификация и стандартизация отдельных частей ГЭУ имеет большое практическое значение так как производство новых электродвигателей и электрической аппаратуры растет быстрее чем производство первичных двигателей новых типов. Применение электродвижения позволяет обеспечить большой диапазон мощностей ГЭУ при весьма ограниченном числе типов и размеров первичных двигателей.
Реверсирование винтов в ГЭУ осуществляется при помощи гребных электродвигателей. Вследствие этого первичные двигатели выбирают нереверсивными. Это упрощение особенно существенно для ТЭГУ поскольку при этом отпадает необходимость в турбинах заднего хода. Мощность этих турбин составляет 40 - 50% мощности основных турбин поэтому при отказе от них упрощается гребная установка и снижается ее масса.
Длина гребных валов в ГЭУ особенно часто уменьшается при электрификации турбинных установок так как в них ГЭД связаны с турбогенераторами лишь электрически и могут быть сдвинуты в корму. Длина гребных валов у электроходов обычно не превышает 15 - 25% длины судна (в не электрифицированных установках она доходит соответственно до 30 - 40%).
Уменьшение длины главных паропроводов в ТЭГУ обусловливается тем что отсутствие механической связи между гребными валами и турбинами облегчает решение задачи более близкого их размещения к котельным отделениям.
Достоинства эксплуатационного характера. К ним относятся: повышенная надежность и живучесть ГЭУ; широкая возможность дистанционного управления установкой; повышенные маневренные качества ГЭУ; относительная экономичность при работе ее на промежуточных ходах; возможность улучшить использование навигационного времени; удобство управления обслуживания и контроля; питание общесудовых механизмов от главных генераторов и возможность подачи электроэнергии на береговые объекты и суда.
Повышенная надежность действия ГЭУ достигается благодаря спокойным условиями работы первичных двигателей в маневренных режимах в особенности при реверсах гребных винтов так как напряженно работают при этом более надежные гребные электродвигатели.
Выход из строя одного или даже двух первичных двигателей (как менее выносливых звеньев) снизит скорость судна с ГЭУ всего на 7 - 13% а при не электрифицированной гребной двухвальной установке выход из строя двух первичных двигателей приведет к остановке судна.
В ТЭГУ число главных генераторных аппаратов не велико – от двух до четырех. Однако главные турбины непосредственно не связаны с гребными валами. Это дает возможность питать все гребные электродвигатели от оставшихся в рабочем состоянии главных генераторов обеспечивая достаточную надежность и живучесть гребной установки.
В ГЭУ проще чем в не электрифицированной гребной установке внедрить дистанционное управление и автоматизацию. При этом обеспечиваются удобство и быстрота управления ею повышенная надежность эксплуатации судна.
Повышение маневренных качеств судна достигается посредством уменьшения времени подготовки необходимого режима и увеличения вращающих моментов на гребных валах. Дистанционным управлением с мостика или из ходовой рубки достигается предельная быстрота управления гребной установкой. При этом исключаются ошибки вызванные неправильной отработкой команд переданных в машинное отделение при помощи машинного телеграфа.
Из – за возможности форсировать вращающие моменты на гребных валах при маневренных режимах электрифицированные установки имеют большие преимущества перед не электрифицированными. Допустимые перегрузки по вращающему моменту у турбин обычно составляют 40 - 50% у дизелей - всего 10 -15%; перегрузочная же способность асинхронных двигателей может быть доведена до 100 - 150% а электродвигателей постоянного тока - до 150 - 200%. При быстротечных реверсах тормозные моменты гребных винтов могут достигать
0-300% т.е. в такие моменты требуется чтобы гребные двигатели выдерживали перегрузочные моменты до 150 - 200% что в не электрифицированных установках невозможно.
Электроходы при реверсировании гребных винтов с полной скорости хода вперед останавливаются на протяжении длины их корпуса в то время как суда даже с турбинными гребными установками проходят до полной остановки путь превышающий их длину в 2 - 4 раза а теплоходы - еще большие отрезки пути.
Гребная электрическая установка имеет широкий диапазон регулирования частоты вращения гребного винта при неизменной частоте вращения первичного двигателя.
Гребная электрическая установка экономична при работе на промежуточных ходах. Отсутствие жесткой механической связи между главными первичными двигателями и гребными валами дает возможность выводить из работы лишние первичные двигатели с их генераторами при снижении скорости судна. Это обстоятельство способствует снижению расхода топлива при промежуточных ходах по сравнению с таковыми при неэлектрифицированных гребных установках.
Эффективность использования навигационного времени в практике эксплуатации судов плавающих в зоне средних широт имеет чрезвычайно большое значение. Ремонт громоздких тихоходных дизелей может затягиваться до 2 - 25 месяца. В случае же применения электродвижения с быстроходными дизелями продолжительность наиболее крупного ремонта агрегатным методом т.е. с заменой одного дизеля другим не превышает как показала практика 35 ч. Таким образом при электрификации гребных установок можно повысить число ходовых суток в году примерно на 20%.
Удобством управления обслуживания и контроля ГЭУ значительно превосходят энергетические установки других типов. Этому обстоятельству в большой мере способствуют хорошо отработанные методы автоматического измерения и контроля применяемые в практике электрических станций.
Питание вспомогательных электромеханизмов от шин электродвижения успешно применяется на многих ГЭУ переменного тока. При этом уменьшается расход топлива на вспомогательные нужды благодаря более высокому КПД главных генераторов. В некоторых случаях можно снабжать электроэнергией судовые потребители при стояночных режимах (землечерпалки землесосы спасательные и пожарные суда плавучие краны) от главных генераторов электрохода а также подавать электроэнергию на другие суда и на береговые объекты во время проведения спасательных работ и других мероприятий и операций.
К основным возможным недостаткам систем электродвижения судов относятся: масса установки; сравнительно низкий КПД; высокая стоимость; потребность в многочисленном обслуживающем персонале и повышенная опасность для него; значительные затраты на ремонт; уязвимость изоляции и вероятность ее повреждения.
На первый взгляд может показаться что перечисленные выше недостатки являются недостатками ограниченного характера т.е. неотъемлемо присущими этому типу установок. Однако при детальном изучении ГЭУ выявляется неправильность такого представления. В отличие от приведенных в предыдущей главе положительных сторон ГЭУ которые являются действительно характерными каждый из недостатков при умелом проектировании и надлежащей эксплуатации ГЭУ может быть в значительной мере скомпенсирован и даже переведен из ряда отрицательных в ряд положительных качеств.
Масса каждой ГЭУ в большой мере зависит от массы ее машинной части в частности от массы первичных главных двигателей. При электрификации гребных турбинных установок снижение массы обычно не наблюдается но благодаря отсутствию турбины заднего хода укорочению длины гребных валов повышение массы бывает незначительным и составляет от 2 до 10%. Коэффициент полезного действия ТЭГУ можно выяснить посредством улучшения параметров пара отсутствия турбин заднего хода сокращения длины главных паропроводов и улучшения контроля качества работы установки. В неэлектрифицированных гребных турбинных установках относительный расход пара и топлива обычно с годами эксплуатации увеличивается в ТЭГУ же он первые 5-6 лет работы часто уменьшается из-за лучшего освоения установки и улучшения контроля. Ряд подсчетов и исследований произведенных машиностроительными заводами показывает что в отношении расхода топлива и общего КПД ТЭГУ имеют преимущества перед неэлектрифицированными турбинными установками начиная с мощности 6000 кВт на гребных валах.
Снизить расход топлива в ДЭГУ по сравнению с ДГУ при полных скоростях судна более затруднительно и возможно лишь посредством повышения КПД гребных винтов.
Провести сравнение стоимости гребных установок различных типов на основании публикуемых данных трудно так как стоимость оборудования судна зависит от конъюнктурных условий.
Практика показала что благодаря дистанционному управлению ГЭУ и большой свободе передвижения обслуживающего персонала его численность не превышает численности обслуживающего персонала на судах с неэлектрифицированными гребными установками. Зафиксировано много случаев когда при модернизации судов и замене их неэлектрифицированных гребных установок электрифицированными на них остается прежний обслуживающий машинное отделение персонал.
Расходы на ремонт за длительный срок эксплуатации (9-11 лет) ГЭУ ниже обычных по нормативам для неэлектрифицированных установок в 4 - 20 раз.
Изоляция применяемая в ГЭУ доведена до высокой степени совершенства и вполне обеспечивает повышенные требования к живучести этих систем. Современная изоляционная техника обеспечивает более чем Достаточный запас диэлектрической прочности изоляции для того диапазона напряжений который применяется в ГЭУ.
Весьма большое разнообразие типов и систем ГЭУ не позволяет дать их строгую классификацию. Однако по некоторым наиболее существенным признакам все электроходы могут быть классифицированы следующим образом.
По назначению гребные электрические установки могут быть подразделены на:
Если система электродвижения используется в качестве основной движительной установки то ГЭУ относятся к категории главных. Наибольшее распространение такие установки нашли на судах вспомогательного флота прежде всего на ледоколах паромах буксирах и плавучих кранах. Главными системами электродвижения оснащены ледоколы «Леонид Брежнев» «Сибирь» «Ленин» «Москва» и все остальные ледоколы включая первые находящиеся в эксплуатации морского флота; серия паромов типа «Сахалин»; серия паромов типа «Советский Азербайджан»; серия буксиров типа «Атлант»; весьма большая серия китобойных судов; рефрижераторных и других судов промыслового флота. Электродвижение как основной тип движительной установки использовано на пассажирских судах «Россия» «Абхазия» «Балтика».
Большую группу составляют вспомогательные системы электродвижения К ним относятся в частности различные подруливающие устройства которые применяются на судах большого водоизмещения. В качестве движителей подруливающих устройств используются вспомогательные гребные винты крыльчатые или водометные движители размещенные как в носовой так и в кормовой оконечностях судна. К подруливающим устройствам относятся также активные рули.
Комбинированные гребные установки имеют две системы привода гребных винтов: механическую и электрическую. Последняя предназначена для увеличения мощности на гребном валу при одновременной работе главных и вспомогательных двигателей или используется для получения малых скоростей которые могут быть обеспечены главными двигателями. Как правило основной является электрическая передача от первичного двигателя к движителю.
Комбинированные гребные установки используются также для создания режима форсирования мощности на движителях одновременной работой на гребной вал первичного двигателя и вспомогательных генераторов. Гребной электродвигатель в этих установках может быть использован в качестве валогенератора для питания судовых потребителей.
Особое положение занимают гребные установки с электромагнитными муфтами постоянного и переменного тока. Муфта предназначена для мягкого сцепления вала двигателя с валом гребного винта. Муфты переменного тока позволяют также редуцировать частоту вращения теплового дизеля и изменять направление вращения гребного винта.
По типу первичного источника энергии ГЭУ могут быть разделены на:
- ГЭУ с тепловыми движителями (дизели паровые и газовые турбины);
- на установки со статическими источниками электроэнергии (аккумуляторные батареи и электрохимические генераторы).
В дизель-электрических гребных установках первичными источниками энергии служат дизели имеющие наиболее высокий КПД среди тепловых двигателей. Обычно используются высокооборотные дизели с частотой вращения 700 - 1000 обмин с мощностью в агрегате до 8000 кВт. Увеличение частоты вращения улучшает массогабаритные характеристики дизель-генераторного агрегата но одновременно снижает его моторесурс. На ледоколах типа «Москва» «Ермак» «Капитан Сорокин» использованы среднегабаритные дизели с частотой вращения до 500 обмин. Поскольку реверс гребного винта в ГЭУ осуществляется изменением направления вращения ГЭД применяются нереверсивные дизели что способствует увеличению их моторесурса.
В турбоэлектрических гребных установках первичным двигателем служит турбина (а первичным источником энергии т.е. источником пара для турбины - паровой котел).
Если в качестве первичного двигателя используется газовая турбина то гребная установка носит название турбоэлектрической (ГТЭГУ). Обычно используются турбины с частотой вращения 3000 - 6000 обмин. Единичная мощность турбогенератора может достигать 40 000 - 75 000 кВт. Коэффициент полезного действия паровых турбин (с учетом котельной установки) ниже чем двигателей внутреннего сгорания. Газовые турбины по сравнению с паровыми имеют меньшие размеры большие КПД и экономичность. В установках с газовыми турбинами отпадает необходимость применения котельной установки. Турбины используемые в системах ГЭУ - нереверсивные поэтому (по сравнению с турбоустановками прямого привода гребных винтов) в ГЭУ не нужны турбины заднего хода.
Первичный двигатель выбирают с учетом требований применяемых к конкретному судну к живучести автономности установки КПД массогабаритных характеристик. В общем случае для ГЭУ малой мощности в качестве первичных двигателей целесообразно применять дизели для ГЭУ большой мощности - турбины.
По роду тока главной цепи установки бывают:
- двойного рода тока.
Гребные электрические установки постоянного тока имеют в своем составе главные генераторы и гребные электродвигатели постоянного тока которые обычно соединяются по схеме «генератор – двигатель» (Г-Д). Они чаще всего находят применение на судах к которым предъявляют требования повышенной маневренности (плавное регулирование частоты вращения винта в широком диапазоне частые и глубокие изменения момента быстрые и многократные реверсы). К таким судам относятся ледоколы буксиры паромы плавкраны транспортные суда ледового плавания.
Гребные электрические установки постоянного тока могут быть подразделены на:
- установки с регулируемым;
- нерегулируемым напряжением;
- на ГЭУ неизменного тока.
Наиболее распространены ГЭУ с регулируемым напряжением. В этих установках управление частотой вращения ГЭД может осуществляться изменением либо напряжения генераторов при неизменном потоке возбуждения ГЭД либо напряжения генераторов и потока возбуждения ГЭД. Реверс винта производится изменением полярности возбуждения ГЭД или полярности генераторов.
В ГЭУ переменного тока используются синхронные генераторы и ГЭД переменного тока (синхронные или асинхронные). Эти установки нашли применение на судах на которых не требуются частые реверсы гребного винта плавное изменение частоты вращения гребного вала в широком диапазоне и специальные характеристики электропривода движителя (транспортные пассажирские рефрижераторные суда).
Управление частотой вращения ГЭД осуществляется переключением числа полюсов изменением частоты подводимого к статору напряжения или каскадным соединением ГЭД. Если регулирование частоты питающего напряжения осуществляется изменением частоты вращения первичного двигателя (ПД) последний должен быть снабжен регулятором обеспечивающим регулирование в требуемом диапазоне.
К гребным установкам переменного тока также относятся системы электродвижения в которых в качестве генераторов и ГЭД использованы машины переменного тока но изменение частоты вращения ГЭД и его реверс осуществляется полупроводниковыми преобразователями частоты (ППЧ) при неизменной частоте вращения ПД; при этом система управления первичными двигателями значительно упрощается.
В ГЭУ переменного тока с преобразователями частоты возможно регулирование частоты вращения ГЭД в широком диапазоне и исключена возможность выпадения ГЭД из синхронизма.
В ГЭУ двойного тока (переменно – постоянного когда в качестве генераторов используются синхронные машины а в качестве ГЭД - машины постоянного тока и постоянно-переменного тока когда в качестве источника электроэнергии используются аккумуляторные батареи или электрохимические генераторы а в качестве ГЭД -синхронные или асинхронные машины) преобразование переменного тока в постоянный производится вентильными управляемыми (УВП) или неуправляемыми (НВП) преобразователями. Электрические машины и выпрямители соединяются по схеме «генератор – вентильный преобразователь – гребной электродвигатель» (Г – ВП – ГЭД).
Управление частотой вращения ГЭД осуществляется изменением напряжения генераторов (в случае неуправляемых вентилей) или регулированием напряжения на выходе управляемого преобразователя при неизменном значении напряжения генераторов; поток возбуждения ГЭД может быть неизменным или регулируемым. Реверс винта осуществляется изменением направления тока возбуждения ГЭД. Достоинства ГЭУ переменного тока особенно ярко проявляются в установках большой мощности с высокооборотными первичными двигателями.
По типу движителей ГЭУ делятся на:
- установки работающие на винт;
- крыльчатые движители;
- подруливающие устройства.
Системы электродвижения могут быть классифицированы и по другим признакам: системам возбуждения управления и т.п.
СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Сопротивление движению судна. При движении корпус судна испытывает сопротивление силой R которая слагается из сил сопротивления трения Rf вихревого сопротивления Re волнового сопротивления Rw и воздушного сопротивления RB. Первые три слагаемых обусловлены вязкостью воды и зависят от скорости судна плотности воды и площади смоченной поверхности корпуса.
Сопротивление трения обусловлено трением корпуса о воду.
Вихревое сопротивление (сопротивление формы) вызвано образованием вихрей в пограничном слое воды из-за изменения относительной скорости частиц воды по длине корпуса (их относительная скорость у миделя выше чем в оконечностях).
Волновое сопротивление обусловлено тем что при движении судно образует волны на создание которых расходуется энергия.
Воздушное сопротивление создается тормозящим действием воздушного потока обтекающего надводную часть судна и зависит от скорости ветра и площади парусной поверхности надводной части судна.
Полное или буксировочное сопротивление движению судна
Для тихоходных судов (12 - 13 уз) отдельные слагаемые составляют (в долях от полного сопротивления):
Для быстроходных судов (25 -27 уз):
Движители. Назначением движителя является создание за счет энергии первичного двигателя силы тяги (упора винта) которая приложена к корпусу судна и вызывает его движение.
На большинстве современных судов с ГЭУ Применяются лопастные вращающиеся гидравлические движители реактивного типа – крыльчатые движители и гребные винты. Сила тяги у них создается лопастями которые при вращении движителя отбрасывают массы воды в сторону противоположную движению судна и передают реакцию этих масс упорному подшипнику.
Лопастные движители различают расположением оси вращения относительно диаметральной плоскости (ДП) судна а также формой расположением и количеством лопастей.
Крыльчатый движителъ (рисунок 4.1 а) вращается вокруг вертикальной оси и представляет собой горизонтальный диск по окружности которого располагаются три - семь вертикальных лопастей. При вращении движителя лопасти специальным приводом разворачиваются вокруг своих вертикальных осей так чтобы все лопасти создавали суммарную тягу направленную в сторону движения судна. КПД крыльчатого движителя 55 - 70%.
Гребной винт (рисунок 4.1 б) вращается вокруг горизонтальной оси расположенной вдоль ДП и состоит из двух - шести лопастей размещенных по окружности ступицы (основания) винта. У гребных винтов фиксированного шага (ВФШ) лопасти неподвижны относительно ступицы. У винтов регулируемого шага (ВРШ) лопасти поворачиваются специальным приводом вокруг радиальных осей; угол поворота их определяется требуемой скоростью и направлением движения судна. КПД гребного винта 60 - 70%.
По сравнению с другими движителями гребной винт имеет меньший габарит более высокий КПД и может применяться при значительной мощности гребной установки. Поэтому на большинстве судов в качестве движителей применяются гребные винты.
Рисунок 4.1 – Расположение лопастных гидравлических движителей
Сведения о работе гребного винта. Рассмотрим работу изолированного гребного винта в свободной воде. Если гребной винт рассечь соосным с ним цилиндром с радиусом г получим сочетание лопасти I - I (рисунок 4.2 а). Стенка лопасти обращенная в нос судна называется засасывающей (7) обращенная в корму - нагнетающей (2). Сечение I - I образует с основанием цилиндра шаговый угол . При вращении без проскальзывания каждая точка этого сечения за один оборот винта опишет на поверхности цилиндра винтовую линию и переместится в осевом направлении на геометрический шаг винтовой линии Н. Развернув винтовую линию на плоскость (рисунок. 4.2 б) получим шаговый треугольник ОСD с основанием ОD = 2 r и высотой DС = Н. При вращении винта в воде имеет место скольжение которое является необходимым условием работы - за один оборот винт проходит в своем направлении расстояние hB называемое поступью (hB Н).
Относительное скольжение:
Рисунок 4.2 – Силы действующие на винт
Осевая скорость перемещения винта в жидкой воде:
Относительная поступь:
где – частота вращения винта; – диаметр винта.
Угол СОЕ между набегающим потоком и элементом лопасти (направлением геометрической винтовой линии) называют углом атаки аk. Профили сечений лопасти построены так что при обтекании их потоком под углом атаки аk на нагнетающей стенке возникает повышенное давление а на засасывающей - пониженное. Равнодействующая этих сил для каждого участка лопасти создает элементарную подъемную силу Y перпендикулярно к направлению набегающего потока. Сечение лопасти оказывает обтекающему ее потоку профильное сопротивление Х.
Каждая из сил Y и Х раскладывается на две взаимно перпендикулярные составляющие одна из которых совпадает с направлением движения винта (Рy и Рx) а другая противоположна направлению вращения винта (Qy и Qx). Сумма сил Рy и Рx является упором а сумма сил Qy и Qx - силой сопротивления вращающегося элемента гребного винта. Сумма элементарных сил для всех сечений лопастей гребного винта с учетом плеча приложения силы равна соответственно упору гребного винта Р и моменту сопротивления вращающего момента Ме. Эти величины зависят от плотности воды ρ частоты вращения винта и его диаметра :
где К1 и К2 - соответственно безразмерные коэффициенты упора и момента зависящие от конструктивного исполнения и геометрических размеров винта.
КПД гребного винта отношение полезной мощности (произведение упора на скорость перемещения винта) к полной мощности затрачиваемой на вращение винта:
Рисунок 4.3 – КПД винта
Эффективность работы винта на разных режимах (при разной поступи) характеризуется кривыми действия винта (рисунок 4.3) – графиками изменения коэффициентов упора К1 и К2 в зависимости от относительной поступи λв (иногда от скольжения s). Обычно вместе с этими графиками приводится кривая изменения КПД
B=f(). Кривые действия винта получают экспериментально: винт вращающийся с неизменной частотой пв принудительно перемещают с различной осевой скоростью и таким образом получают различную относительную поступь λв (скольжение s). Рассмотрим характерные режимы работы винта которые можно получить при этом эксперименте.
При поступи hв = 0 (работа в швартовом режиме) относительная поступь λв = 0 скольжение s=1 упор Р и момент МB имеют максимальные значения.
При поступи hв = Н скольжение s = 0 угол атаки аk1 становится отрицательным упор Р = 0 а момент положителен; момент сопротивления вращению винта равен профильному сопротивлению Х. Поступь Н1 при которой упор равен нулю называется шагом нулевого упора.
В области 0 hв Н винт работает движителем т.е. создает упор потребляя мощность первичного двигателя.
В области hв > Н2 гребной винт работает в режиме гидротурбины (момент и упор отрицательны). Создается за счет энергии набегающего потока отрицательный упор винт развивает момент направленный в сторону его вращения.
Работа гребного винта вблизи корпуса судна характеризуется их взаимным влиянием и сопровождается возникновением попутного потока и засасывания воды.
Благодаря вязкости воды за судном возникает попутный поток - увлекаемая корпусом струя которая движется в направлении движения судна но с меньшей скоростью. Из-за этого явления происходит изменение коэффициентов упора К1 и момента К2 при работе винта за корпусом что сказывается на КПД гребного винта.
Работающий в кормовой оконечности судна винт подсасывает воду что приводит к понижению давления в районе кормовой оконечности и связанному с этим увеличению сопротивления движению судна. При установившемся движении упор винта Р затрачивается на преодоление сопротивления корпуса R и силы засасывания.
Полное или буксировочное сопротивление R уравновешивается полезной тягой винта Ре (Ре Р).
При определении КПД гребного винта расположенного за корпусом попутный поток и засасывание учитываются с помощью коэффициента влияния корпуса пр. Полученный с учетом этого КПД называется пропульсивным коэффициентом (или коэффициентом продвижения).
где Ре – буксировочная мощность (мощности полезной тяги); е – скорость судна.
– мощность затрачиваемая на вращение винта. (4.8)
Характеристики гребного винта. Зависимость момента сопротивления МB от частоты вращения пB называют характеристиками гребного винта. Иногда пользуются также зависимостью Рв = f (nв). Характеристики квазистатичны - каждая точка соответствует установившейся скорости судна с и частоте вращения гребного винта.
Момент пропорционален квадрату частоты вращения поэтому при предварительных оценках можно применить МB = АпB2 мощность Р = В пB3 где А и В – коэффициенты пропорциональности.
В зависимости от режимов работы и условий плавания судна различают следующие характеристики винта (рисунок 4.4):
– при ходе в свободной воде с уменьшенной осадкой;
– при ходе в свободной воде с номинальной осадкой (с грузом);
– буксировочная (при ходе судна с взломом или во льдах);
– швартовая (при работающих винтах и неподвижном судне);
– ледовая (при вращении винта в мелком льду шуге «ледяной каше» и т.п. что увеличивает момент сопротивления);
– реверсивные характеристики;
– реальная реверсивная характеристика учитывающая изменение скорости судна во время реверса.
Рисунок 4 .4 – Характеристики гребного винта
Эти характеристики получают экспериментальным путем или расчетом по данным гребного винта. Для конкретного судна характеристики винта не являются постоянными а могут в зависимости от осадки и условий плавания изменяться в диапазоне от характеристики хода в свободной воде при водоизмещении в порожнем состоянии до ледовой характеристики.
Основные параметры движительного комплекса определяют следующим образом. Для ледоколов моменты находят по швартовой характеристике 4 и ледовой характеристике 5 частоту вращения - по швартовой характеристике 4 и характеристике хода в свободной воде 2. Для буксиров эти параметры определяют по буксировочной характеристике 3. для остальных судов - ход в свободной воде (при номинальной осадке).
Характеристики винта могут быть получены в относительных единицах; в этом случае за номинальный режим принимают для ледоколов и буксиров работу на швартовой характеристике для остальных судов - ход в свободной воде (при номинальной осадке).
Рисунок 4.5 – Характеристики винтов (швартовые и при ходе в свободной воде)
На рисунке 4.5 приведены построенные в относительных единицах характеристики (швартовые и при ходе в свободной воде) винта ледокольно-транспортного судна типа «Амгуэма» (кривые 1 и 1') кормового винта портового ледокола типа «Василий Прончищев» (кривые 2 и 2') и бортового винта ледокола «Москва» (кривые 3 и 3').
Реверсивная характеристика винта - это зависимость момента сопротивления МВ от частоты вращения гребного винта при изменении направления его вращения на противоположное (во время реверса). Расчетная реверсивная характеристика строится при неизменной скорости движения судна с в первоначальном направлении поскольку время реверса гребного винта по крайней мере на порядок меньше времени реверса судна.
Вид реверсивных характеристик гребного винта для разных значений первоначальной скорости судна с приведен на рисунке 4.4 (кривые 6). Точка А соответствует ходу судна в свободной воде с номинальной скоростью nB.H и номинальной частоте вращения гребного винта nB.H. После прекращения подачи энергии к ГЭД частота его вращения быстро снижается до значения (06 - 075) nB.H соответствующего шагу нулевого момента (точка В). За счет энергии набегающего потока гребной винт продолжает вращаться в ту же сторону и на участке ВСD сам развивает вращающий момент (отрицательный момент сопротивления) работая в режиме гидротурбины; максимальное значение момента (до 09 МBH) достигается при частоте вращения около 035 nB.H (точка С).
Для остановки винта необходимо чтобы привод развивал тормозной момент (отрицательный вращающий момент) больший чем вращающий момент винта. Под действием вращающего момента винт затормаживается (в точке В пВ = 0 при моменте около 04 МВН) и начинает разворачиваться в противоположном направлении (участок DЕ) создавая эффективное торможение движению судна в режиме гидравлического тормоза. Под действием вращающегося в противоположную сторону винта судно остановится и затем начнет разгон задним ходом.
Как правило на заднем ходу частота вращения гребного винта при номинальном моменте меньше чем на переднем ходу из-за возрастания сопротивления движению судна.
Реальная реверсивная характеристика учитывающая изменения скорости судна во время реверса имеет вид 7 на рисунке 4.4.
При реверсе в швартовом режиме (с = 0) исключается работа винта в режиме гидротурбины и реверсирование происходит по симметричной кривой проходящей через начало координат.
Маневренные качества судна определяются следующими характеристиками:
а) временем реверса (торможения) винта - временем от момента начала перекладки рукоятки поста управления (ПУ) ГЭД до момента начала вращения гребного винта в обратную сторону;
б) временем пуска ГЭД в заданном направлении;
в) временем выбега судна - временем от момента начала перекладки рукоятки ПУ до полной остановки судна;
г) путем выбега (или выбегом) - расстоянием проходимым судном за время выбега;
д) поворотливостью судна - способностью быстро изменять направление движения вплоть до разворота на одном месте;
е)способностью быстро изменять и сохранять неизменной скорость движения при резких изменениях сопротивления движению судна.
Винты регулируемого шага. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) имеет внутри полой ступицы механизм (обычно с гидравлическим приводом) для поворота лопастей т.е. для изменения шага (изменения угла атаки аk). ВРШ обеспечивают использование мощности двигателей при номинальной частоте вращения в любом режиме работы судка. Это достигается тем что соответствующие изменения шагового отношения НD (изменением угла установки лопастей) в различных режимах поддерживается К2=сопst а значит при пB = пBH = соnst и момент МB = соnst.
С точки зрения гидродинамики действия ВРШ на заданном шаге практически не отличается от действия винта фиксированного шага (ВФШ) с таким же шагом. При нулевом шаге мощность требуемая для вращения винта может составлять около 10% номинальной мощности привода.
Применение ВРШ обеспечивает изменение скорости и направления движения судна при достаточно плавном регулировании величины шага использование полной мощности нереверсивных приводных двигателей в диапазоне от характеристики хода в свободной воде до швартовой и выбор наиболее выгодного режима работы судна при наибольшем КПД установки. Однако ВРШ по сравнению с ВФШ отличаются конструктивной сложностью винта и валопривода увеличенными диаметром и длиной ступицы повышенной стоимостью.
В ГЭУ целесообразно применять ВРШ в сочетании с синхронными ГЭД работающими с постоянной частотой вращения.
1 Крыльчатый движитель
Крыльчатый движитель представляет собой круглую вращающуюся платформу расположенную заподлицо с днищем судна. По окружности этой платформы перпендикулярно к ее плоскости размещены крылья — лопасти (от четырех до восьми). Кинематика механизма движителя такова что при вращении платформы вместе с лопастями последние непрерывно поворачиваются вокруг своих осей. При простейшей (классической) схеме движителя угол между хордой каждой лопасти и направлением на фиксированную точку N платформы называемую полюсом движителя сохраняется постоянным.
Рисунок 4.6 – Крыльчатый движитель
Рисунок 4.7- Пример расположения крыльчатого движителя на судне
По желанию судоводителя полюс может в определенных пределах перемещаться в плоскости платформы меняя направление и интенсивность струи отбрасываемой движителем (рисунок 4.8). Перемещение полюса N в направлении нормальном к диаметральной плоскости судна определяющее так называемый эксцентриситет движителя эквивалентно изменению шага гребного винта. Эксцентриситет измеряется величиной:
где D — диаметр окружности на которой размещаются лопасти.
Совпадение полюса с центром платформы (λ = 0) соответствует нулевому шаговому отношению PD = 0 перемещение полюса в одну сторону от ДП (λ >0) — увеличению шагового отношения (PD>0) перемещение в другую сторону — работе на задний ход (PD0). Таким образом действие крыльчатого движителя при перемещении полюса в нормальном к диаметральной плоскости- направлении эквивалентно действию ВРШ при изменении его шага.
В качестве геометрических характеристик крыльчатого движителя принимают: Ао = D l - гидравлическое сечение движителя.
Рисунок 4.8 - Схема действия крыльчатого движителя
В качестве динамических характеристик движителя обычно используют величины несколько отличные по форме от принимаемых в расчетах гребных винтов а именно:
относительную поступь
гидродинамический коэффициент упора
kT = 2Tp 2 D3 (4.11)
гидродинамический коэффициент момента
kQ = 2Qp2 D4 ln2 (4.12)
а также общепринятый коэффициент нагрузки движителя по упору
Т = = 2Т р vA2 А0. (4.13)
Поскольку крыльчатый движитель представляет собой конструкцию симметричную относительно вертикальной оси проходящей через центр платформы перемещение полюса в любую точку не лежащую на перпендикулярном к диаметральной плоскости диаметре вызывает соответствующее отклонение струи ДРК от этой плоскости.
В условиях швартовного режима угол отклонения струи очевидно равен углу поворота прямой соединяющей полюс N с центром платформы О и угол отклонения струи б* равен углу перекладки (углу перемещения полюса) б. В ходовых режимах б* = б. Это допущение не является строгим особенно для малых нагрузок так как крыльчатый движитель не имеет специального направляющего аппарата для формирования выбрасываемой струи. Однако это допущение является необходимым для анализа и последующего представления гидродинамических характеристик крыльчатого движителя как ДРК работающего с отклоняемой струей.
Лопасти крыльчатого движителя при вращении диска совершают два движения одновременно: вращаются вместе с диском вокруг его оси и каждая лопасть поворачивается вокруг своей вертикальной оси то в одну то в другую сторону не делая полного поворота. Благодаря этому при вращении диска вокруг своей оси каждая лопасть движителя поворачивается своей передней кромкой наружу в одной половине окружности вращения и внутрь - во второй половине окружности. Так как лопасть перемещается в воде всё время одной и той же кромкой вперёд для создания большей силы упора и большей обтекаемости ее делают в форме авиационного крыла. Именно поэтому движитель и называют крыльчатым.
Чтобы лопасти перемещались в воде все время одной и той же кромкой вперёд все лопасти крыльчатого движителя соединены тягой с одной точкой так называемой точкой управления N. Каждая лопасть всегда расположена перпендикулярно к линии соединяющей точку N и ось лопасти.
Чтобы понять принцип работы лопастей движителя вполне достаточно привести следующую упрощённую схему (рисунок 4.9).
Рисунок 4.9 - Принцип работы лопастей движителя
Рисунок 4.10 - Путь лопасти
При вращении диска движителя лопасть входит в воду под каким-то углом к касательной к данной точке окружности диска и на нее будет давить вода с силой R которую по правилам параллелограмма сил можно разложить на две составляющих силы (рисунок 4.9 I): P - силу упора лопасти направленную наружу от центра диска и W - силу лобового сопротивления лопасти. Направление отбрасываемой движителем струи воды противоположно силе упора. В точке III (рисунок 4.9) создастся аналогичное положение только угол атаки лопасти будет отрицательным а поэтому сила упора будет направлена к центру движителя О и будет складываться с силой упора первой лопасти создавая полный упор движителя двигающий судно и всегда направленный перпендикулярно отрезку ОN. В точках (рисунок 4.9II и IV) плоскости лопасти будут расположены параллельно касательной к окружности диска и не создадут силы упора.
Точку управления N с помощью специального устройства можно установить в любое положение по отношению к центру диска движителя О изменяя этим самым направление отбрасываемой движителем струи воды а следовательно и упора движителя. Если поставить точку N над центром движителя О (рисунок 4.11 I) то плоскости всех лопастей будут расположены параллельно касательным к окружности диска проведённым в точках где проходят оси лопастей. Сила упора в этом случае равна нулю и несмотря на то что диск движителя будет вращаться судно не сдвинется с места. Переместив точку N влево от центра О (рисунок 4.11 II) мы даём судну передний ход переместив вправо (рисунок 4.11 IV) - задний ход а переместив точку N вперёд от центра движителя мы заставим корму судна двигаться вправо (рисунок 4.11 III) и т. д. Благодаря этому судно с крыльчатым движителем может двигаться вперед и назад и изменять направление своего движения не имея руля а если поставить на судно два движителя то оно сможет перемещаться даже боком.
Рисунок 4.11 – Работа лопастей крыльчатого движителя
Внимательно рассматривая рисунок 4.11 можно заметить что движитель все время вращается в одну и ту же сторону а судно перемещается в разные стороны.
Пользуясь этим свойством движителя на судах можно устанавливать более простые двигатели - нереверсивные то есть не меняющие направления вращения. Такие двигатели легче по весу по сравнению с реверсивными проще по устройству и уходу за ними и значительно дешевле реверсивных.
Однако у крыльчатых движителей имеются и недостатки основным из которых является сложность передачи вращения от двигателя к движителю благодаря чему двигатели больших мощностей (свыше 5000 л. с.) с крыльчатыми движителями использовать нельзя а это ограничивает размеры судов на которых такие движители применяются.
Тем не менее основные свойства судов с крыльчатыми движителями - возможность иметь боковой ход поворачиваться на месте быстро изменять направление движения - делают такие суда незаменимыми при плавании в "узкостях": в каналах на реках и в портах. Крыльчатые движители с успехом применяют на речных пассажирских судах на портовых кранах и буксирах; производятся эксперименты по применению крыльчатых движителей на рыболовных траулерах.
На судах крыльчатые движители устанавливаются в местах которые наиболее удобны для данного типа судна. На пассажирских судах движители устанавливаются в корме на буксирах - в корме или в носу на портовых кранах - посередине корпуса.
За образец модели судна с крыльчатым движителем можно взять буксир с движителем установленным в носовой части судна. Такой буксир (теоретический чертеж его приведен на рис. 4) длиной 246 м шириной 76 м имел осадку 3 м (с лопастями движителя 38 м) и развивал скорость 103 узла (199 кмчас) при мощности двигателя 552 кет (750 л. с.) с 320 обмин; число оборотов движителя составляло 65 в минуту а его диаметр - 366 м.
Рисунок 4.12 - Буксир с движителем установленным в носовой части судна
Величина полного упора движители T выражается формулой:
где: F - общая площадь лопастей D - диаметр ротора движителя n - число оборотов движителя.
Отсюда видно что наиболее выгодно принимать возможно больший диаметр ротора так как с его увеличением растёт и площадь лопастей. Например на буксире приведённом на рисунке 4.12 диаметр ротора движителя равен почти половине ширины буксира.
2 Подруливающие устройства
Подруливающее устройство - (ПУ) является одним из наиболее распространенных вспомогательных средств управления судном. Оно представляет собой автономную систему независимую от главных двигателей размещенную в корпусе судна и создающую поперечную силу (тягу ПУ) путем засасывания забортной воды и выбрасывания ее в поперечном по отношению к ДП судна направлении.
Подруливающее устройство предназначается для управления судном в условиях в которых эффективность основных. средств управления оказывается недостаточной. Подруливающее устройство должно обеспечивать маневрирование судна не имеющего хода при швартовных операциях при отходе от стенки при развороте в условиях ветра и течения оно должно способствовать маневрированию судна на малых ходах при самостоятельном движении на акваториях портов при различных ограничениях фарватера в узкостях и т. п.
Величина тяги т. ё. полной поперечной силы развиваемой ПУ при проектировании судна задается из условия обеспечения ряда общих а также специфических для данного судна операций. В качестве примера одной из таких операций может служить швартовка судна или отход его от стенки при ветре или разворот судна на месте в отсутствие ветра.
Общим конструктивным признаком всех типов ПУ является наличие поперечного канала в корпусе судна и встроенного в него импеллера или насоса.
По месту расположения на судне различают носовые ПУ и кормовые ПУ (КПУ) (рисунок 4.13). Для увеличения действующего на судно вращающего момента носовое ПУ размещают на возможно большем удалении от миделя.
— носовое ПУ; 2 — кормовое ПУ.
Рисунок 4.13 - Размещение ПУ на судне
а — общий вид установки на судне с ВРШ; б — схемы размещения каналов КПУ в обход валопровода. 1— выше туннеля валопровода; 2 — ниже туннеля валопровода.
Рисунок 4.14 - Установка кормового ПУ на судне
Кормовое ПУ устанавливают в дополнение к носовому для обеспечения судну движения лагом или других специальных маневров. Для увеличения вращающего момента кормовое ПУ также размещают возможно дальше от миделя. Размещение КПУ вызывает обычно значительные трудности связанные с расположением в этом районе вало-проводов гребных винтов. На судах с большой осадкой КПУ может размещаться ниже линии гребного вала (рисунок 4.14). На судах с малой осадкой применяют КПУ с каналами сложной формы. Мощность КПУ обычно меньше или равна мощности НПУ.
По числу каналов ПУ разделяются на одно- и двухканальные. Наиболее распространены одноканальные ПУ которые предназначаются для работы на оба борта и имеют симметричную относительно ДП судна конструкцию (рисунок 4.15).
Рисунок 4.15 - Одноканальные ПУ: а— с гребным винтом; б — с крыльчатым движителем.
Двухканальные ПУ могут представлять собой комбинацию двух ПУ одностороннего действия (рисунок 4.16). Подобная конструкция позволяет несколько повысить эффективность ПУ благодаря более рациональной несимметричной относительно ДП профилировке канала и. использованию более экономичного импеллера одностороннего действия (например ВФШ с авиационным профилем сечения лопастей). Однако реализовать эффект от расширения выходной части канала и соответствующего снижения скорости в струе ПУ как правило не удается. При обычной длине канала не превышающей четырех его диаметров эффективное расширение выходной части канала возможно только при большом угле раствора диффузора приводящем к некомпенсируемым вязкостным потерям. Кроме того расширение канала приводит к росту разрежения на засасывающей стороне импеллера увеличивая тем самым опасность кавитации. Стоимость таких ПУ выше стоимости эквивалентного по тяге одноканального ПУ а их размещение на судне требует больше места.
Рисунок 4.16 - Двухканальные ПУ одностороннего действия.
Двухканальные симметричные ПУ (рисунок 4.17) устанавливают при необходимости разделения мощности ПУ т. е. в тех случаях когда осадка судна не допускает размещения одного ПУ достаточно большого диаметра.
Рисунок 4.17 - Установка на судне двухканального ПУ двухстороннего действия.
Применяются также ПУ со сложной формой канала (Т-образной Z-образной) с различного вида заслонками (рисунок 4.18).
Рисунок 4.18 - ПУ с каналом Т-образной формы и заслонками.
Рисунок 4.19 - Формы входной (выходной) части канала: а — скругленная; б — коническая; в — с уступом.
Преимуществом такого ПУ является возможность использования достаточно простых импеллеров одностороннего действия (например осевых насосов) а также возможность организации надводного выброса что обеспечивает им способность к действию на ходу судна. Эффективность ПУ со сложной формой каналов ниже обычной.
По типу используемого импеллера ПУ разделяются на ПУ с ВРШ реверсивными ВФШ двумя ВФШ противоположного вращения крыльчатыми движителями а также ПУ с центробежными осевыми и эжекционными насосами. Применение импеллера того или иного типа определяется его эффективностью в конкретных условиях размещения видом энергоснабжения различными специальными требованиями к ПУ.
Рисунок 4.20 - Входная часть канала ПУ в зоне наклонного шпангоута: а — прямой канал; б — изогнутый канал.
Канал ПУ. Наиболее распространенной формой канала однока-нальных симметричных ПУ является цилиндрическая круглая в сечении у ПУ с гребными винтами или прямоугольная у ПУ с крыльча-тыми движителями.
Особое значение для эффективности ПУ имеют входная и выходная части канала. Конфигурация входной части канала ПУ должна обеспечивать отсутствие отрыва потока благоприятное распределение давления и минимум сопротивления входу жидкости.
Конфигурация выходной части канала должна обеспечивать устойчивый отрыв струи и минимум потерь на выходе т. е. иметь острые кромки. Необходимость одновременного удовлетворения обоих тре- бований приводит для симметричных ПУ к компромиссным решениям (рисунок 4.19). Наибольшее распространение среди таких решений получило незначительное скругление кромок отверстий канала. Иногда используются конические раструбы но эта форма является уступкой технологии и применение ее нежелательно.
Большой интерес представляет ступенчатая форма позволяющая совместить устойчивый отрыв выходящей струи с минимумом потерь на входе.
Каналы ПУ одностороннего действия (двухканальные ПУ) должны иметь хорошо скругленный плавный вход.и выход с острыми кромками. Если отверстие канала ПУ расположено в зоне наклона шпангоута то особое внимание должно быть уделено форме нижней стороны входной части канала. Поток втекающий в канал снизу должен поворачиваться в этой области более чем на 90° (рисунок 4.20 а) что создает повышенную опасность отрыва. Поэтому закругление кромок в нижней части таких каналов должно иметь больший радиус нежели в верхней части. Возможен также общий изгиб канала в вертикальной плоскости (рисунок 4.20 б) однако это приводит к некоторому снижению эффективности ПУ из-за наклона струи и увеличения сопротивления канала. Угол между касательной к ватерлинии и ДП судна в зоне отверстия ПУ обычно значительно меньше угла наклона шпангоута и поэтому не требует конструктивных изменений формы входной части канала. Форма входной части канала ПУ оказывает также влияние на сопротивление воды движению судна. С целью снижения дополнительного сопротивления вызванного наличием отверстий и сквозного канала ПУ входная часть последнего с кормовой стороны соединяется с корпусом с помощью ложкообразного выреза (рисунок 4.21). Хорошие результаты дает эллиптическая форма входной части (рисунок 4.24) несколько улучшающая действие ПУ на ходу судна.
Рисунок 4.21 - Ложкообразный вырез для снижения дополнительного сопротивления на ходу судна: а - коническое сопряжение; б — плавное сопряжение; в—форма выреза.
Внутренняя часть канала ПУ имеет обычно цилиндрическую по всей длине форму. При достаточной длине канала его иногда расширяют в зоне расположения ступицы и кронштейнов для того чтобы сохранить постоянным гидравлическое сечение. Во всех случаях общее загромождение канала ступицей и выступающими частями (элементы передачи кронштейны) должно быть минимальным. Все выступающие части должны иметь хорошо обтекаемую форму не допускающую отрыва.
Рисунок 4.22 - Подруливающие устройства типа "винт в трубе"
В качестве привода ПУ используется электродвигатель переменного 3-х фазного тока с напряжением 380 В.
Плавное регулирование частоты вращения и реверс осуществляются посредством частотного преобразователя. Частотный преобразователь обеспечивает также снижение пусковых токов и повышенную экономичность при работе на частичных режимах.
Управление ПУ – электродистанционное автоматизированное.
ПУ с диаметром гребного винта 10 м может поставляться также в варианте с гребным винтом регулируемого шага.
Тяга ПУ указана для тянущего режима для стандартных условий (длина канала LD=3 борт 90° радиус закругления входных кромок rD=005 без решеток). Тяга должна уточняться с учетом фактического расположения ПУ на судне.
Рисунок 4.23 - Подруливающие устройства водометного типа с Т-образным каналом
Основные достоинства водометных подруливающих устройств:
- экологическая безопасность и повышенная надежность за счет исключения из забортного пространства заполненного маслом редуктора;
-надежная работа при любой осадке судна;
- защищенность от попадания льда.
Защитные решетки устанавливают во входных отверстиях каналов ПУ для предотвращения поломок и засорения ПУ посторонними предметами (Рисунок7.14). Следует оговорить что установка решеток не только защищает ПУ но и в определенной мере способствует скоплению в его канале посторонних предметов. Поэтому в конструкции ПУ оборудованного защитными решетками должна предусматриваться возможность очистки канала от мусора.
Рисунок 4.24 - Эллиптическая форма входной части канала ПУ.
а — вертикальная решетка; б — смешанная; решетка; в — решетка канала ПУ с крыльчатым движителем; г — стандартный профиль элемента решетки.
Рисунок 4.25 - Защитные решетки ПУ:
Для ПУ с гребными винтами наиболее рациональны вертикальные решетки. При установке ПУ в зоне значительного наклона шпангоутов целесообразно использование горизонтальных решеток с профилировкой обеспечивающей безотрывное течение в нижней части канала. В некоторых конструкциях применяется смешанный тип решеток состоящих из вертикальных и горизонтальных элементов. Для защиты каналов ПУ с крыльчатыми движителями обычно применяются горизонтальные решетки.
Загромождение сечения канала защитной решеткой во всех случаях не должно превосходить 10 % хотя уже при этом снижение тяги ПУ достигает в зависимости от профилировки и качества исполнения решетки 6—10 %. Дальнейшее увеличение загромождения приводит к резкому снижению тяги ПУ (при загромождении равном 15 % снижение тяги достигает 20 %).
У быстроходных судов и судов с полными носовыми обводами дополнительное сопротивление воды которое связано с наличием входных отверстий и сквозного канала соединяющего оба борта может достигать значительной величины. Наилучшим способом практической ликвидации дополнительного сопротивления является полное закрытие входных отверстий канала ПУ. Наибольшее распространение получили два типа устройств для закрытия отверстий каналов: заслонки и жалюзи (Рисунок7.15).
Рисунок 4.26 - Устройства для закрытия каналов ПУ: а — заслонки; б — жалюзи.
Заслонки не увеличивают сопротивления тракта и соответственно не снижают эффективности ПУ. Выход за габариты судна делает их легко уязвимыми при швартовных и других подобных операциях. Жалюзи наоборот менее подвержены повреждениям но как и другие виды защитных решеток снижают эффективность ПУ.
ПЕРВИЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
В качестве первичных двигателей для генераторов ГЭУ применяют дизели и турбины - паровые и газовые. В судовых установках средний КПД дизелей 34 - 40% паротурбинной установки (ПТУ) 24 - 28% газотурбинной установки (ГТУ) 28 - 40%.
Благодаря относительно высокому эффективному КПД и малому времени подготовки к пуску и работе дизели наиболее широко применяются в ГЭУ.
Эффективным КПД называют отношение теплоты превращенной в эффективную работу на валу ко всей теплоте сгорания топлива. Среднее значение эффективного КПД е и удельного расхода топлива q судовых дизелей приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Значение удельного расхода топлива и эффективного КПД судовых дизелей.
Удельный расход топлива
Эффективной мощностью называют полезную мощность дизеля РПД отдаваемую генератору на фланце вала. Номинальная мощность дизеля - эффективная длительная мощность назначаемая предприятием-изготовителем при номинальной частоте вращения. Максимальная мощность - кратковременная мощность дизеля превышающая номинальную и используемая в течение ограниченного времени.
Пуск мощных дизелей производится сжатым воздухом который подается в цилиндры. Частота вращения при которой обеспечивается заданная степень нестабильности называется минимально устойчивой и составляет около 30% номинальной. При меньшей частоте вращения дизель не может работать и нести нагрузку. Судовые дизели допускают кратковременное увеличение частоты вращения на 10 - 15% выше номинальной.
Топливо в цилиндры подается под давлением специальными топливными насосами. Регулирование частоты вращения и мощности дизеля осуществляется изменением количества подаваемого топлива с помощью регулирующей рейки которая изменяет ход плунжера одновременно у всех насосов. Во всем диапазоне частоты вращения дизель работает с практически постоянным вращающим моментом.
Различают следующие характеристики дизеля:
) скоростные характеристики (внешние и винтовые).
Внешние характеристики - зависимости относительных параметров (РП.Д. МВ.Р q) от частоты вращения дизеля п (рисунок 5.1) которые снимаются при ручном управлении рейкой топливных насосов с фиксацией ее положения при разных постоянных значениях полезного хода плунжера.
Рисунок 5.1 – Характеристики дизеля: а – скоростные; б – регуляторные; в – нагрузочные
Внешние характеристики при кратковременно допускаемой нагрузке (1 - 2 ч) и предельной подаче топлива называются максимальными кривыми (кривые 1 и 1').
Кривые 2 2' и 2" являются основными внешними характеристиками дизеля и снимаются при положении дозирующих органов соответствующем номинальной мощности и номинальной частоте вращения.
Кривая 3 представляет собой внешнюю характеристику эксплуатационной мощности при которой обеспечивается долговременная и экономичная работа дизеля.
Кривые 4 и 5 являются внешними характеристиками долевых мощностей (частичные характеристики) и снимаются при уменьшенной подаче топлива.
Кривая 5 - частичная характеристика соответствующая минимальной мощности при длительной работе; она называется нижней ограниченной характеристикой.
Все характеристики ограничиваются установкой срабатывания которая при срабатывании отсекает подачу топлива (кривая 6).
При соединении дизеля непосредственно с гребным валом регулирование мощности и частоты осуществляется по винтовым характеристикам подробно рассмотренным в работе.
) регуляторные характеристики – зависимости параметров от частоты вращения при разных установках всережимного регулятора (рисунок. 5.1 б) который в отличие от однорежимного регулятора (например предельного) при переменной нагрузке поддерживает любую заданную частоту вращения изменением подачи топлива. Основная внешняя характеристика (кривая 4) и характеристика предельного регулятора (кривая 5) остаются такими же что и в случае представленном на рисунке 5.1 а (кривые 2 и 6 соответственно). Дизель с всережимным регулятором при заданной частоте вращения работает по регуляторным характеристикам при астатическом (кривые 1 2' З') или статическом (кривые 1' 2' З') регулировании. Наклон кривых 1' 2' З' (характеризуется разностью п = п' - п) определяется статизмом (степенью неравномерности) всережимного регулятора.
) Нагрузочные характеристики – зависимость параметров от нагрузки при неизменной частоте вращения и переменной подаче топлива т.е. при работе дизеля с всережимным регулятором (рисунок 5.2).
На рисунке 5.2. приведены характеристики дизеля ДЮО. Кроме внешних характеристик МВР = f(п) РПД = f(п) и q= f(п) на рисунок. 5.2 а показаны зависимости механических потерь в диапазоне (мощности Рс и момента сопротивления Мс) от частоты вращения которые учитывают при расчете переходных процессов. На рисунке. 5.2 б приведены кривые удельного расхода топлива в зависимости от эффективной мощности для разной частоты вращения (нагрузочные характеристики) а на рисунке. 5.2 в - кривые зависимости эффективной мощности дизеля от атмосферного давления при разной температуре окружающей среды.
Рисунок 5.2 – Нагрузочные характеристики дизеля
Управление дизелем производится следующим образом.
Топливо подается насосом плунжер которого приводится от вала дизеля. При изменении нагрузки и отклонении частоты вращения от заданной регулятор через гидравлический серводвигатель рычажную передачу и регулирующего рейку соответственно уменьшает или увеличивает подачу топлива поддерживая тем самым постоянство заданной частоты вращения. Измерительным элементом отключения частоты вращения служат вращающиеся грузы укрепленные на траверсе регулятора которая приводится во вращение от вала дизеля.
Изменение установки частоты вращения дизеля производится изменением затяжки всережимной пружины регулятора вручную или дистанционно с помощью сервомотора.
При работе вхолостую или с малыми нагрузками (работа ниже ограниченной характеристики) независимо от частоты вращения ухудшается качество распыления топлива что приводит к разжижению масла несгоревшим топливом. Для предотвращения этого служит пневматический механизм отключения ряда топливных насосов; оставшиеся в работе насосы увеличивают подачу топлива и процесс сгорания улучшается. Пневматическиймеханизм отключения управляется специальным электропневматическим вентилем и переводит регулирующую рейку ряда топливных насосов в положение соответствующее выключенной подаче топлива. Включение и выключение вентиля обеспечивается схемами ГЭУ.
Для экстренной дистанционной остановки дизеля предусматривается блокировочный магнит который при переключении катушки перекрывает подачу топлива. Предусматривается аварийная защита дизеля в следующих случаях:
а)при повышении допустимой частоты вращения - с помощью центробежного предельного регулятора;
б) при снижении давления масла ниже допустимого - с помощью реле давления которое снимает нагрузку и перекрывает подачу топлива;
в)при переходе одного из последовательно включенных генераторов постоянного тока в двигательный режим в случае остановки его дизеля (защита от обратного вращения) - с помощью реле пресной воды (если вода подается навешенным насосом) которое при понижении давления до 40 - 25% номинального снимает возбуждение с генератора останавливающегося агрегата. Эту защиту можно выполнить с помощью реле напряжения подключенного к навешенному тахогенератору; реле снимает возбуждение с генератора при понижении частоты вращения до 20 - 40% минимально устойчивой.
Судовые паровые турбины применяемые в ГЭУ могут обладать агрегатами мощностью до 60000 кВт.
Отношение эффективной мощности на валу к распределяемой мощности турбины называют эффективным относительным КПД турбоагрегата ос который достигает 75 -80%. На рисунке 5.3 показана зона эффективного относительного КПД турбин в зависимости от их мощности.
Рисунок 5.3 – Эффективный относительный КПД турбин
Механические потери в самой турбине составляют 1 - 3% ее мощности потери на вращение неработающих ступеней - до 2% и потери в редукторе при простой передаче 15 - 2% (при двойной передаче 3 - 4%). Значение механических потерь необходимо учитывать при расчете переходных процессов для предотвращения разгона турбины энергией рекуперации. Отношение действительной или валовой мощности к внутренней мощности называется механическим КПД.
Удельный расход пара у современных паровых турбин достигает 34 - 44 кг(кВтч); при использовании атомных пароэнергетических гребных установок удельный расход пара увеличивается до 55 кг(кВтч) из-за низких параметров пара.
Диапазон регулирования частоты вращения паровых турбин - от 25 до 115% номинальной частоты вращения. Регулирование частоты вращения и мощности обычно производится специальным маневровым клапаном изменяющим количество подаваемого пара (реже - регулированием параметров пара). В ГЭУ постоянного переменно-постоянного и переменного тока со статическим преобразователем частоты турбины работают с постоянной частотой вращения. В обычных ГЭУ переменного тока частота вращения может изменяться в широких пределах.
Для поддержания заданной частоты вращения при изменениях нагрузки турбины оборудуют быстродействующим регулятором постоянства частоты вращения который изменяет подачу пара в турбину. Регулятор приводит мощность турбины в соответствие с нагрузкой и поддерживает заданную частоту вращения а также обеспечивает устойчивую работу турбины при внезапном сбросе или набросе нагрузки. При расчетах системы электродвижения учитывают времена наброса и сброса 100% нагрузки максимальные и минимальные значения частоты вращения при этом сбросе и набросе а также статизм и точность регулятора.
Рисунок 5.4 – Характеристики турбины
На рисунке 5.4 приведены характеристики турбины. Внешняя характеристика (кривая 4) -это зависимость мощности от частоты вращения при изменении подачи пара. Регулятор постоянства частоты вращения обеспечивает получение регуляторных характеристик (кривые 12 3). Наклон кривых характеризующийся разностью п = п'-п определяется статизмом регулятора (обычно не более 5%). При изменении нагрузки частота вращения также изменяется по этим характеристикам и поддерживается с точностью ±05%.
Турбина снабжается выключателем предельной частоты вращения (регулятором безопасности) который действует независимо от других регуляторов и прекращает подачу пара при достижении турбиной частоты вращения равной 112 - 115% номинальной.
Для экстренной остановки турбины предусматривается быстрозапорный клапан (БЗК) установленный на главном паропроводе перед турбиной.
Аварийная остановка турбины посредством БЗК предусматривается в следующих случаях:
а)при превышении допустимой частоты вращения - с помощью выключателя предельной частоты вращения;
б)при понижении давления масла в напорном маслопроводе ниже допустимого - с помощью масляного выключателя;
в) при резком ухудшении вакуума в конденсаторе - с помощью вакуум-реле.
Кроме того в ГЭУ постоянного и переменного тока с ПЧ должна предусматриваться защита от недопустимого разгона ротора турбины энергией рекуперации в переходных режимах. Эта защита может быть осуществлена например с помощью реле напряжения подключенного к тахогенератору турбины или реле мощности рекуперации. При недопустимом увеличении частоты вращения (разгоне) реле срабатывает и дает импульс на снижение двигательного момента генератора до значения меньшего чем момент механических потерь турбины. Установка срабатывания должна быть ниже установки предельного выключателя - около 105% номинальной частоты вращения.
В состав газотурбинной установки (ГТУ) входят турбина воздушный компрессор и камера сгорания конструктивно объединенные в один агрегат. Выделяющиеся при сгорании топлива газы с высокими температурой и давлением (при горении температура достигает 1500 - 2000 °С) после смешивания с воздухом образуют рабочее тело обладающее запасом потенциальной тепловой энергии. Компрессор и камера сгорания служат для подготовки рабочего тела которое затем поступает в ступени газовой турбины. Здесь приобретенная при расширении газа кинетическая энергия рабочего тела преобразуется в механическую так же как и в ступени паровой турбины. Компрессор приводится от вала турбины поэтому часть энергии рабочего тела расходуется на получение сжатого воздуха обеспечивающего процесс горения.
Простейшим вариантом газовой турбины является турбина схема которой представлена на рисунке 5.5.
– компрессор 2 – камера сгорания 3 – газовая турбина 4 – редуктор 5 – генератор
Рисунок 5.5 – Газовая турбина.
Здесь турбина 1 нагнетает воздух в камеру сгорания 2 где при сжигании топлива образуется рабочее тело подаваемое в газовую турбину 3. В такой системе имеют место большие потери тепла в отработанных газах. КПД не превышает 20%.
Основным методом повышения КПД является регенерация т.е. полезное использование теплоты отработанных газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха. Примером такой турбины является турбина на рисунке 5.6. Здесь КПД достигает 26 - 28%.
– компрессор 2 - камера сгорания 3 – газовая турбина 4 – редуктор 5 – генератор 6 – регенератор
Рисунок 5.6 – Газовая турбина
Еще больший КПД может быть получен при использовании двухступенчатого компрессора - низкого и высокого давления (рисунок 5.7).
КПД такой турбины достигает 28 - 30 и более процентов.
– компрессор 2 – камера сгорания 3 — газовая турбина 4 — редуктор 5 – генератор 6 – регенератор 7 – холодильник
Рисунок 5.7 – Газовая турбина
Благодаря отсутствию котельной установки конденсаторов и обслуживающих их систем ГТУ обладают большей экономичностью и меньшей удельной массой в сравнении с ПТУ той же мощности (табл. 5.3) а также меньшими габаритами.
Существующие типы ГТУ различаются рабочими циклами способами соединения компрессора с турбиной видом применяемого топлива способом его сжигания и т.д.
Применяемые в судовых ГТУ газовые турбины имеют эффективный относительный КПД 85 - 87 % (одноступенчатые) и 87 - 89 % (двухступенчатые).
Таблица 5.2 – Сравнительные характеристики ПТУ и ГТУ.
Удельная масса кгкВт
Удельный расход топлива г(кВт-ч)
Абсолютный эффективный КПД %
Паротурбинная (с учетом котельной установки)
При пуске проворачивание вала ГТУ происходит от специального пускового двигателя (например электродвигателя); первоначальное воспламенение топлива осуществляется от специального блока зажигания.
Регулирование мощности ГТУ производится изменением количества подаваемого в камеру сгорания топлива. ГТУ применяемые для привода генераторов должны иметь центробежный регулятор поддерживающий при изменении нагрузки заданную частоту вращения изменением подачи топлива. Характеристики ГТУ при автоматическом регулировании аналогичны характеристикам паровой турбины.
Эффективный КПД ГТУ существенно зависит от температуры газа. По выходе из камеры сгорания газы смешиваются со сжатым воздухом что снижает на выходе в турбину температуру рабочего тела до 600 - 800 °С. Перспективны судовые ГТУ с температурой рабочего тела выше 800 °С в которых используются новые жаростойкие материалы.
В ГТУ предусматривается защита прекращающая подачу топлива в следующих случаях:
а) при достижении предельно допустимой частоты вращения (110 - 112% номинальной) - с помощью регулятора предельной частоты вращения;
б)при превышении допустимого значения температуры газа - с помощью специальной схемы работающей от термопар;
в) при снижении давления масла и охлаждающей воды ниже предельного значения - с помощью соответствующих реле давления.
ТОПОЛОГИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ГЭУ РАЗЛИЧНЫХ СУДОВ
1 Состав оборудования и схем ГЭУ
На примере ГЭУ переменно-постоянного тока рассмотрим возможный состав оборудования установки. В состав ГЭУ входят:
а) источники энергии - генераторы (Г) с первичными двигателями (ПД);
б) силовые полупроводниковые преобразователи (ПП);
в) гребные электродвигатели (ГЭД);
г) возбудители генераторов (ВГ) и гребных электродвигателей (ВД);
д) щит электродвижения (ЩЭД);
е) пульт управления электродвижением (ПЭД);
ж) посты дистанционного управления (ПДУ);
з) щитки сигнализации (ЩС).
Функциональная схема ГЭУ переменно – постоянного тока приведена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Функциональная схема ГЭУ
Гребные электродвигатели жестко соединяются с гребными валами. На гребном валу монтируется валопроводное устройство с помощью которого во время ремонтов и перед пуском поворачивается гребной вал и ротор ГЭД.
Главные генераторы приводятся первичными двигателями устанавливаются обычно на общих с ними рамах и могут иметь один или два опорных подшипника. Охлаждение подшипников осуществляется от общей системы смазки ПД.
Силовые полупроводниковые преобразователи выполняются в виде щита или шкафа в котором размещены полупроводниковые вентили (управляемые или неуправляемые) и элементы схемы управления защиты и контроля вентилей. Принудительное охлаждение (водяное или воздушное) позволяет увеличить нагрузки на вентили и сократить их общее количество. Предпочтительным является воздушное охлаждение от отдельных электровентиляторов через воздухоохладители.
Возбудители служат для питания обмоток возбуждения главных электрических машин. При индивидуальном возбуждении каждый возбудитель питает обмотку только одной машины при групповом возбуждении от одного возбудителя питаются обмотки нескольких машин. Как правило ГЭД или имеет индивидуальное возбуждение а все генераторы одного ГЭД или контура – групповое возбуждение от общего возбудителя. Применяются машинные электромашинные и статические возбудители. Машинные возбудители ГЭД и генераторов контура соединяются между собой и с приводным двигателем и представляют единый возбудительный агрегат (на рисунке 6.1 – ВГЗ и ВДЗ). Статические возбудители встраиваются в защиты электродвижения или выполняются в виде отдельных шкафов резервирование достигается снижением коэффициента использования по току и напряжению вентилей что обеспечивает нормальную работу возбудителя при выходе из строя нескольких вентилей или параллельных цепей. Это позволяет обеспечить высокую надежность возбудителей и упростить схему возбуждения. При разработке тиристорных возбудителей необходимо предусматривать конструктивно-схемные мероприятия по уменьшению их влияния на качество напряжения питающей сети.
Щит электродвижения служит для подготовки ГЭУ к работе набора схем главного тока и возбуждения (включение в схему электрических машин и возбудителей) управления системой возбуждения и контроля за работой ГЭУ. В щит встраивают избирательные переключатели цепи главного тока переключатели возбудительных агрегатов автоматы питания защиты блокировки сигнализации и контроля. На щите обычно устанавливается мнемосхема. Если предусматривается вахтенное обслуживание в щит встраиваются также местный пост управления ГЭД переключатель постов управления и машинный телеграф.
Пульт управления электродвигателем предназначен для дистанционного контроля за работой ГЭУ и управления ГЭД он обычно встраивается в центральном посту управления. В пульт встраиваются приборы машинного телеграфа посты управления ГЭД переключатели постов управления измерительные приборы и аппаратура сигнализации и контроля. При отсутствии вахты у щита электродвижения в пульте устанавливаются элементы дистанционного управления коммутационными аппаратами позволяющими производить дистанционный набор схемы а также пуск и установку механизмов (насосов вентиляторов) обслуживающих ГЭУ.
Пост дистанционного управления служит для управления ГЭД судоводительским составом и в эксплуатационных режимах является основным постом. Пост включает в себя устройство для регулирования задающего сигнала в цепях возбудителей главных электрических машин и необходимые элементы изменения сигнализации. Конструктивно посты управления выполняются в двух вариантах: совмещенными с машинным телеграфом и отдельно стоящими.
В последнем случае посты управления называемые обычно задатчиками мощности; соединяются как правило с машинным телеграфом с помощью механической и электрической передачи.
Щитки сигнализации служат для представления информации о работе ГЭУ в них встраиваются сигнальные лампы а при необходимости - измерительные приборы и мнемосхема.
Схема главного тока – схема определяющая состав и соединение между собой всех элементов цепи главного тока (электрические машины контакты избирательных переключателей аппараты защиты и регулирования измерительные приборы и т.п.). На схеме показываются места включения элементов схемы регулирования и приводятся режимы работы ГЭУ.
Схема возбуждения – схема определяющая состав и соединение основных и резервных возбудителей и избирательных переключателей. На схеме показывается включение ручных регуляторов возбуждения разрядных настроечных резисторов элементов защиты и измерительных приборов цепей возбуждения.
Схема управления и регулирования – схема определяющая состав и соединение постов управления а также цепей управления и обратных связей возбудителей. На схеме показываются элементы стабилизации установочные и настроечные сопротивления элементы защиты блокировки и сигнализации.
Схемы возбуждения управления и регулирования часто объединяются.
Схема сигнализации — схема определяющая состав и соединение всех приборов сигнализации (лампы табло звуковые сигналы и т.п.) с необходимой аппаратурой защиты и контроля.
Схема управления дизелями - схема определяющая состав электропневматических вентилей и их соединение с переключателем режимов работы или постом управления ГЭД а также состав и соединение элементов защиты и сигнализации. На схеме показываются связи со схемой управления и регулирования ГЭД.
Схема питания вспомогательных механизмов ГЭУ от общесудовой электростанции с автоматическими выключателями элементами защиты и сигнализации.
Кроме принципиальных схем разрабатывается схема соединений (монтажная) показывающая соединения составных частей приводами и кабелями а также места их ввода и присоединения.
2 Компоновка оборудования ГЭУ
Расположение элементов гребной установки во многом определяется назначением и типом судна однако существуют рекомендации общие для всех типов судов.
Гребные электродвигатели обычно размещаются в отдельном помещении в кормовой оконечности судна но могут размещаться и вместе с генераторными агрегатами. В первом случае уменьшается длина и масса валопровода что позволяет сократить суммарный объем машинных помещений а также рационально использовать острые своды судна. Однако при размещении и выборе ГЭД необходимо предусматривать возможность их нормального обслуживания разборки и ремонта.
Пары масла топлива и влаги имеющиеся в помещении где размещены ГЭД в сочетании со щеточной пылью приводят к ухудшению изоляции что особенно сказывается на работе машин постоянного тока. Необходимо стремиться к тому чтобы ГЭД и механическое оборудование не связанное непосредственно с обеспечением его работы размещались в разных помещениях. Не следует располагать ГЭД и генераторные агрегаты (особенно с дизельным приводом) в одном машинном отделении. Если этого не удается избежать что особенно часто случается на малых судах то следует выполнять ГЭД с замкнутой системой вентиляции.
Генераторные агрегаты не имеют жесткой связи с гребными валами и поэтому могут располагаться в любой части судна.
Применение быстроходных дизель – генераторов имеющих сравнительно малые массу и габариты позволяет располагать оборудование в два яруса с размещением генераторных агрегатов на платформе. Двухъярусная компоновка ГЭД и дизель-генераторов в кормовой оконечности судна позволяет значительно сократить общую длину машинных отделений (рисунке 6.2).
Сокращение общей длины машинных отделений при применении турбоэлектрических гребных установок также может быть достигнуто путем двухъярусного размещения оборудования.
– двигатель; 2 – возбудители; 3 – дизель – генератор; 4 – ПУ
Рисунок 6.2 – Двухъярусная компоновка ГЭД и дизель – генераторов
Таким образом при размещении основного электрооборудования ГЭУ можно рекомендовать:
) размещать ГЭД в отдельных помещениях с учетом обеспечения минимальной длины гребного вала при этом вблизи ГЭД не должны прокладываться трубопроводы имеющие фланцевые соединения;
) размещать генераторные агрегаты в отдельных помещениях и не устанавливать на них другого электрооборудования ГЭУ (щитов преобразователей и т.п.) для которого необходимо предусматривать отдельные помещения;
) при достаточной высоте борта и особенно при кормовом расположении машинных отделений применять двухъярусное расположение электрооборудования;
) предусматривать звукоизоляцию помещения. в котором размещаются дизель-генераторы в нем не должны устанавливаться вспомогательные механизмы требующие постоянного обслуживания на ходу судна;
) выделять отдельные помещения для вспомогательных механизмов машинной установки.
Полупроводниковые преобразователи цепи главного тока не рекомендуется располагать в дизель-генераторных помещениях; размещать их следует вместе со щитами электродвижения или в специальных помещениях непосредственно над ГЭД. Однако в некоторых случаях особенно в ГЭУ переменно-постоянного тока большой мощности с целью сокращения длины шинопровода переменного тока целесообразно размещать силовые выпрямители непосредственно вблизи генераторов.
Возбудительные агрегаты (ВА) и статические возбудители не следует размещать в дизель-генераторных помещениях; агрегаты целесообразно устанавливать в помещениях где располагаются ГЭД или в специальных помещениях статические возбудители -вместе со щитами электродвижения или в специальных помещениях.
Щиты электродвижения устанавливаются с учетом расположения трасс главного тока в антишумовых выгородках машинных отделений на платформах в помещениях где размещаются ГЭД или в специальных помещениях.
Пульт управления электродвижением располагается как правило в специальном помещении для дистанционного управления механической установкой судна – центральном посту управления (ЦПУ). Иногда при отсутствии дистанционного управления аппаратами главной цепи для удобства управления ГЭД пульт управления устанавливают в помещении щита электродвижения или совмещают пульт и щит в одной конструкции.
Местный пост управления (МПУ) встраивается в щиты или пульт электродвижения. Команды для изменения направления и частоты вращения ГЭУ подаются с помощью машинного телеграфа. Местный пост рекомендуется механически связывать с прибором машинного телеграфа так чтобы исполнение команды с помощью МПУ репетовалось схемой машинного телеграфа.
Пост дистанционного управления (ПДУ) устанавливается в ходовой рубке и управление им обычно осуществляется с помощью рукояток тумб машинного телеграфа (при отключенной схеме телеграфа). На судах повышенной маневренности и при больших размерах ходовой рубки в ней устанавливается несколько тумб машинного телеграфа (в том числе обязательно по бортам) связанных с собой и с ПДУ механической и электрической передачей. На судах требующих точного маневрирования могут устанавливаться дополнительные ПДУ в кормовой и носовой оконечностях. Переключатель ПДУ обычно располагается в ходовой рубке; переключатель с местного управления на дистанционное размещается на пульте или щитах электродвижения.
На рисунке 6.3 приведена схема расположения элементов ГЭУ портового ледокола.
Рисунок 6.3 – Схема расположения ГЭУ портового ледокола
3 Особенности ГЭУ различных судов
В основном ГЭУ применяются на судах эксплуатационные режимы работы которых имеют специфические особенности: повышенная маневренность резко меняющиеся условия плавания длительная работа на пониженной мощности продолжительные стоянки или частота работ на малых ходах с одновременной работой производительных механизмов большой мощности. Применение ГЭУ предпочтительнее для ледоколов и судов активного ледового плавания судов технического и вспомогательного флота. Иногда ГЭУ применяются на грузовых и пассажирских судах.
Грузовые и пассажирские суда. ГЭУ выбирается по характеристике в свободной воде. Она должна обеспечивать максимальную скорость судна с грузом и без него при минимальных расходах топлива и наименьших массо – габаритных характеристиках оборудования. С учетом КПД надежности и простоты обслуживания главных электрических машин предпочтительнее ГЭУ на переменном токе.
Ледоколы. ГЭУ выбираются по основному - швартовному режиму с учетом режимов работы в свободной воде взаимодействия винта со льдом и момента стоянки. Схема регулирования должна обеспечить полное использование заданной мощности ПД при изменении сопротивления движению судна в широком диапазоне от характеристики хода в свободной воде до характеристики режима фрезерования льда при частоте вращения нулевого упора. ГЭУ должна допускать частые реверсы (до 30 в час). Время реверса должно быть минимальным.
Для обеспечения указанных требований в настоящее время применяются ГЭУ переменного тока и ВФШ с регулированием частоты вращения изменением частоты питающего напряжения. Для исключения заклинивания гребного винта при его взаимодействии со льдом ГЭД рассчитывается на наброс двух – трехкратного номинального момента а механические характеристики должны иметь общие точки с характеристикой МВ+Л = =Ф(НВ).
ГЭУ транспортных судов активного ледового плавания должны обладать качествами ГЭУ ледоколов.
Паромы. ГЭУ выбирается по характеристике хода в свободной воде с грузом а для замерзающей акватории - по буксировочной характеристике с учетом ледовых условий плавания. ГЭУ должна обеспечить хорошую маневренность обусловленную частыми швартовными операциями (особенно для железнодорожных паромов) стесненными акваториями а также малое время реверса и выбега парома.
Обычно применяются ГЭУ на постоянном токе по системе Г - Д с ограничением тока или по системе неизменного тока с включением в общий контур всех ГЭД и электродвигателей подруливающего устройства и активных рулей.
На паромах иностранной постройки применяются ГЭУ переменного тока с ВРШ. В этом случае генераторы единой электростанции питают ГЭД и судовые потребители.
Буксиры. ГЭУ выбираются по буксировочной характеристике с обеспечением максимального хода в свободной воде. Буксир работает в акваториях портов при изменяющихся условиях эксплуатации (вплоть до ледовых). ГЭУ должна обеспечивать высокие маневренные качества при использовании полной мощности ПД в диапазоне между буксировочной характеристикой и характеристикой хода в свободной воде.
Промысловые суда. Особенность работы промысловых судов - перераспределение установленной мощности генераторов в разных эксплуатационных режимах: при переходе к месту лова - максимальный ход при ловле - устойчивый малый ход с работой траловых лебедок при переборке улова - малый ход или стоянка с работой морозильной установки и оборудования перерабатывающего цеха. Параметры ГЭУ выбираются по характеристике хода в свободной воде мощность главных генераторов - по максимальному режиму с учетом одновременной работы ГЭУ и производственного оборудования.
На переменно – постоянном токе может применяться единая электростанция с питанием от общих шин и ГЭД и электродвигателей производственных механизмов. На переменном токе применяют ВРШ или преобразователи частоты с работой производственного оборудования от общих шин.
Исследовательские суда. На океанографических гидрографических и подобных им судах обычно устанавливаются мощные глубоководные лебедки и научно-исследовательское оборудование. До 80 процентов времени в эксплуатации этих судов занимает работа на малых ходах или при дрейфе с удержанием судна против волны в то же время при плавании от тропиков до арктической зоны ГЭУ должна обеспечивать максимальный ход.
Применяют ГЭУ на переменном токе обеспечивающие широкий диапазон плавного регулирования скорости судна по системе ПЧ – АД (СД) с режимом раздельной работы генераторов на ГЭД и электроприводы лебедок.
Суда технического и вспомогательного флота. К судам этой группы относятся земснаряды плавкраны кабелеукладчики пожарные суда плавучие буровые установки и т.п. ГЭУ этих судов должна обладать хорошими маневренными качествами. На малых ходах и при стоянках должна также обеспечиваться работа мощных производственных механизмов.
4 Условия работы надежность живучесть
Электрооборудование ГЭУ должно надежно работать в условиях постоянной вибрации корпуса (а у ледоколов и частых сотрясений при ударах корпуса о лед) повышенной температуры и влажности окружающего воздуха (особенно в машинных отделениях и на открытых местах) длительной качки судна крена и дифферента. Значения этих величин характеризующих условия работы электрооборудования на судах установлены Правилами Российского Морского Регистра. Кроме того электрооборудование должно работать при наличии в окружающем воздухе паров воды масла и топлива а также при попадании на него паров влаги. Для работы в этих условиях должно применяться электрооборудование в морском исполнении конструкция которого учитывает все указанные особенности. Электрооборудование и аппаратура предназначенные для береговых условий работы не могут применяться в схемах и конструкциях элементов ГЭУ без специального одобрения Регистром.
При выборе и создании электрооборудования следует учитывать условия его расположения на судне. Необходимо обеспечить свободный доступ ко всем элементам и частям оборудования требующим постоянного обслуживания во время работы и возможность разборки с выемом крупногабаритных узлов и деталей (например роторов генераторов) для производства ремонтных работ на месте. Следует предусматривать различные средства механизации и приспособления для производства ремонтных работ: рамы тали тельферы отжимные болты и т.п. В целях облегчения эксплуатации и повышения надежности работы ГЭУ рекомендуется при проектировании принимать возможно более простые решения. Усложнение схем и оборудования увеличение объема автоматизации целесообразно только в случаях обусловленных спецификой работы судна или экономически оправданных.
Повышение надежности работы ГЭУ в целом и всех ее элементов имеет первостепенное значение поскольку выход из строя того или иного элемента может привести к остановке судна с возможными неблагоприятными последствиями. Поэтому в схеме ГЭУ должны применяться наиболее надежные элементы в морском исполнении а схемы ГЭУ должны обладать высокой живучестью и обеспечивать сохранение хода в аварийных случаях. Каждый ГЭД рекомендуется питать как минимум от двух генераторов. Главные электрические машины с принудительной вентиляцией должны оборудоваться двумя вентиляторами каждый из которых обеспечивает нормальную работу машины. На выходе воздуха из машин постоянного тока рекомендуется установка фильтров для улавливания щеточной пыли. Целесообразно также предусматривать отдельные вентиляторы для отсоса воздуха из плоскости коллекторов с выбросом его наружу.
Требования по высокой надежности ГЭУ особенно важны применительно к мощным ледоколам. Опыт эксплуатации показал что при обколке застрявших судов в тяжелых льдах ледокол должен проходить непосредственно вблизи борта судна. В этот момент работа ГЭУ должна быть весьма надежной так как в случае отказа установки возможна потеря управляемости что приведет к столкновению с судном которое чревато весьма тяжкими последствиями.
Другим важным фактором определяющим необходимость высокой надежности ГЭУ является большая автономность плавания т.е. длительное время работы ледокола без захода в порты а также индивидуальная работа ледокола при вскрытии ледовых полей и перемычек.
Защита гребной установки должна действовать селективно и надежно обесточивать и отключать только аварийные элементы ГЭУ при этом остальная часть ГЭУ должна оставаться в работе.
Рекомендуется автономное возбуждение схемы каждого ГЭД или его якоря. Возбудители следует выбирать с учетом необходимой форсировки возбуждения в переходных режимах. Возбудители должны иметь переключаемый резерв. Для полупроводниковых приборов следует принимать коэффициент загрузки 06 - 07 и выбирать его по максимальным значениям тока и напряжения в переходных режимах.
К изоляции токоведущих частей высоковольтных схем главного тока должны предъявляться повышенные требования; трассы кабелей и шинопроводов должны прокладываться в специальных коридорах. При выборе материалов следует учитывать требуемый срок службы и возможность проявления усталости материалов. Все элементы ГЭУ должны отличаться достаточной прочностью конструкции обеспечивающей безотказную работу при эксплуатации ГЭУ в течение заданных периодов работы без непосредственного обслуживания до капитального (заводского) ремонта.
ТРЕБОВАНИЯ К ГРЕБНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ
1.1 Требования настоящего раздела распространяются на все гребные электрические установки (ГЭУ) и их компоненты а также на изготовление монтаж и испытания в том числе:
) генераторы и их первичные двигатели;
) распределительные щиты;
) трансформаторыреакторы;
) полупроводниковые преобразователи частоты (конвертеры);
) гребные электрические двигатели;
) системы возбуждения;
) системы управления ГЭУ системы контроля (АПС индикация и регистрация параметров) а также системы защиты;
) системы силовых шинопроводов кабельных трасс.
1.2 Требования настоящего раздела не распространяются на носовые и кормовые подруливающие устройства являющиеся вспомогательными устройствами управления судном.
1.3Выполнение требований настоящего раздела и применимых требований других разделов настоящей части обязательно для судов где к основному символу класса добавляется знак ЕРР в соответствии с требованиями пункта 2.2.12 части I «Классификация» Российского Морского Регистра.
1.4 Электрическое оборудование гребной электрической установки должно отвечать требованиям других разделов и глав настоящей части Правил если в настоящем разделе не оговорено иное.
1.5 В электрических системах гребных электрических установок допускается применение напряжений не превышающих указанные в пункте 4.2 и разделе 18 Российского Морского Регистра.
1.6 В помещениях электрических машин распределительных щитов и пультов управления рекомендуется предусматривать электрическое отопление.
1.7 Подгенераторами и двигателями гребной электрической установки должно быть установлено стационарное освещение.
1.8 Части гребных электрических машин (двигателей и генераторов) расположенные под настилом должны иметь степень защиты не ниже
Если они помещаются в сухом отсеке или защищены от попадания воды водонепроницаемым фундаментом и если кроме того имеется сигнализация срабатывающая при попадании воды в этот отсек то может быть допущена степень защиты 1Р23.
1.9В корпусах гребных электрических двигателей генераторов полупроводниковых преобразователей других компонентов ГЭУ должны быть предусмотрены устройства препятствующие образованию и скоплению влаги и конденсата особенно в периоды длительных стоянок. Этими устройствами могут быть электрические нагреватели осушители воздуха и т. п.
1.10 Гребная электрическая установка должна быть оборудована устройством контроля сопротивления изоляции отвечающим требованиям пункта 2.11 Российского Морского Регистра.
2 Определения и пояснения
2.1 В настоящем разделе приняты следующие определения и пояснения:
Главный пост управления ГЭУ — пост управления главной пропульсивной установкой на котором имеется вахта в условиях хода в море.
Местный пост управления — пост управления располагаемый в месте установки системы предназначенный для образования и введения в систему задающих параметров для полупроводниковых преобразователей частоты (ППЧ) независимых от заданных параметров системы дистанционного управления и других внешних ограничений.
Азимутальный привод — привод обеспечивающий поворот пропульсивного блока вокруг вертикальной оси.
Привод в гондоле (ПП ГЭД) — пропульсивная система в которой гребной электрический двигатель расположен в специально предназначенной для него погружной поворотной гондоле судна.
Дублированный датчик — датчик с двумя чувствительными элементами в одном корпусе.
Резервированный датчик — два отдельных датчика в отдельных корпусах установленных для контроля одного и того же параметра.
3 Структура гребных электрических установок (ГЭУ)
3.1 В состав гребной электрической установки входят следующие компоненты:
) главные генераторы ГЭУ —не менее 2 шт.;
) главный распределительный щит (ГРЩ) разделенный на две части межсекционным автоматическим выключателем или разъединителем;
) силовые трансформаторы для преобразования напряжения ГРЩ в напряжение полупроводниковых преобразователей — по одному для каждого преобразователя;
) силовые полупроводниковые преобразователи для питания ГЭД — не менее 2 шт.;
) гребной электрический двигатель (ГЭД) с двумя системами статорных обмоток получающих питание каждая от своего полупроводникового преобразователя;
) система управления.
3.2Для гребных электрических установок с одним ГЭД синхронные и асинхронные ГЭД должны иметь две системы статорных обмоток которые могли бы независимо отключаться от соответствующего полупроводникового преобразователя частоты (ППЧ). Каждый ППЧ должен быть рассчитан по крайней мере на 50 % номинальной мощности гребной электрической установки.
3.3 Гребные двигатели постоянного тока должны быть двухъякорными (двухколлекторными) причем каждая якорная обмотка должна быть рассчитана по крайней мере на 50 % номинальной мощности установки. Каждая якорная обмотка должна получать питание от своего независимого преобразователя. Любая единичная неисправность в преобразователе не должна приводить к полной потере хода.
3.4 Для гребного вала должны быть предусмотрены тормозные или блокирующие устройства не позволяющие произвольно вращаться отключенному гребному двигателю (валу) при любых погодных условиях или в процессе буксировки судна.
3.5 Система ГЭУ должна отвечать принципу локализации одной неисправности т. е. в случае появления неисправности в любом одном из компонентов системы ГЭУ ход судна должен сохраняться хотя бы с частичной мощностью.
3.6 При появлении любой неисправности в системе ГЭУ на всех действующих постах управления должен быть предусмотрен аварийно-предупредительный сигнал.
3.7 Для всех вспомогательных механизмов и устройств ответственного назначения должны предусматриваться местные посты управления на которые переводится управление в случае неисправности любого компонента дистанционной автоматизированной системы управления ГЭУ.
4 Системы возбуждения
4.1.1Каждая система возбуждения должна получать питание по отдельному фидеру. Предельный ток и напряжение системы возбуждения а также их источник питания должны в полной мере удовлетворять требованиям для всех режимов ГЭУ в том числе при маневрировании в режимах перегрузки и при коротком замыкании а также в условиях опрокидывающего момента.
4.1.2 Цепи питания систем возбуждения должны иметь защитные устройства только от коротких замыканий. Срабатывание электромагнитного расцепителя при коротком замыкании должно сопровождаться сигналом АПС на постах управления.
4.1.3При отключении автоматического выключателя системы возбуждения должен также отключаться автоматический выключатель соответствующего генератора или гребного двигателя.
4.1.4 Если питание системы возбуждения снабжено независимыми устройствами защиты против снижения частоты и перенапряжения или
устройствами пропорционального регулирования «напряжениечастота» то они должны быть отрегулированы таким образом чтобы система
защиты реагировала при достижении недопустимых режимов.
4.1.5Цепи возбуждения должны быть оборудованы устройствами для снижения (подавления) всплеска напряжения при размыкании выключателя возбуждения (система гашения поля).
4.1.6Должны быть предусмотрены средства (фильтры ит.п.) для ограничения гармонических искажений и снижения коэффициента мощности.
4.2 Возбуждение генераторов
4.2.1 Системы возбуждения должны получать питание со стороны генератора генератор должен быть самовозбуждающимся. Напряжение должно подниматься автоматически без дополнительных внешних источников.
4.2.2 Для управляющих цепей возбудителя а также для начального
возбуждения может быть применен внешний источник энергии если он резервирован.
Этот внешний источник должен получать питание от ГРЩ АРЩ и дополнительно от резервной аккумуляторной батареи. Как минимум для всех генераторов ГЭУ должно быть предусмотрено два внешних источника энергии.
4.3 Возбуждение гребных электрических двигателей
4.3.1 Питание возбудителя должно осуществляться непосредственно от той же секции ГРЩ от которой получает питание статорная обмотка двигателя.
4.3.2 Системы возбуждения и системы автоматического регулирования должны быть выполнены таким образом чтобы гребные электрические двигатели были защищены от чрезмерного повышения частоты вращения при поломке или оголении гребного винта.
5 Электромагнитная совместимость (ЭМС) ГЭУ
5.1Гребная электрическая установка должна без сбоев и отказов функционировать в условиях воздействия электромагнитных помех и соответствовать требованиям изложенным в пункте 2.2 Российского морского Регистра.
5.2Оборудование создающее всплески напряжения частоты и тока не должно быть причиной отказов и выходов из строя другого
оборудования на борту из – за помех передающихся кондуктивно индуктивно или радиационно.
5.3 Если величина гармонических искажений превышает 10 % в рабочем состоянии ГЭУ то необходимо обеспечить соответствующую фильтрацию и функционирование без помех любых подключаемых потребителей.
6 Первичные двигатели генераторов ГЭУ
6.1 Допустимые отклонения частоты вращения.
6.1.1 Если генераторы гребной электрической установки используются также для питания судовой сети то отклонения частоты генераторов при соответствующих изменениях нагрузки должны соответствовать требованиям указанным в пункте 2.11.3 части V «Механизмы» Российского Морского Регистра.
6.1.2 Если система управления частотой вращения гребного винта требует изменений частоты вращения первичных двигателей генераторов ГЭУ то регуляторы частоты вращения первичных двигателей должны иметь устройства как местного так и дистанционного управления частотой вращения.
6.1.3 Номинальная мощность а также перегрузочная способность первичных двигателей должны выбираться с учетом обеспечения мощности требуемой в процессе переменных нагрузок общего электрического оборудования а также изменений нагрузок ГЭУ при маневрировании ходе в море в том числе при тяжелых (штормовых) погодных условиях.
6.2 Параллельная работа. При параллельной работе генераторов применяемые системы регулирования должны обеспечивать стабильное пропорциональное распределение нагрузок во всем диапазоне мощностей первичных двигателей как указано в пункте 3.2.2 Российского морского Регистра.
6.3 Мощность реверсирования
6.3.1 При экстренном маневре с полного переднего хода на полный ход назад первичные двигатели должны быть способны поглотить (абсорбировать) соответствующую часть рекуперируемой энергии без срабатывания защиты от разноса или от обратной мощности.
6.3.2 Для абсорбирования соответствующей части рекуперируемой энергии и торможения гребного электрического двигателя при реверсе допускается применение «резисторов торможения» обеспечивающих
необходимое ограничение частоты вращения первичных двигателей и электрических машин в допустимых пределах. Величина рекуперируемой энергии должна ограничиваться автоматизированной системой управления ГЭУ.
7.1 Общие требования
7.1.1Генераторы работающие с полупроводниковыми преобразователями должны быть рассчитаны на наличие ожидаемого уровня гармонических составляющих в системе.
С этой целью должен предусматриваться существенный резерв мощности компенсирующий повышение температуры генератора по сравнению с обычной синусоидальной нагрузкой.
7.1.2 Статорные обмотки генераторов номинальной мощностью выше 500 кВА должны быть снабжены датчиками температуры.
7.1.3 Генераторы гребной электрической установки должны быть оборудованы фильтрами очистки охлаждающего воздуха при открытой и замкнутой системе вентиляции. Вентиляционные каналы должны быть устроены так чтобы вода не попадала внутрь машины.
7.1.4 Генераторы гребных электрических установок допускается использовать для питания вспомогательных электрических механизмов и устройств при условии обеспечения стабильности напряжения и частоты во всех режимах в том числе маневровых в соответствии с требованиями пункта 2.1.3 Российского Морского Регистра.
7.1.5 В цепях возбуждения генераторов не должны устанавливаться автоматические выключатели за исключением тех которые действуют на снятие возбуждения с машин при коротких замыканиях или повреждениях в цепи главного тока.
7.1.6 Устройства защиты генераторов должны соответствовать требованиям изложенным в пункте 8.2 Российского Морского Регистра.
7.2 Подшипники генераторов и смазка
7.2.1 Вкладыши подшипников скольжения должны быть легко заменяемыми. Должны быть предусмотрены средства контроля смазки подшипников. Надежная смазка должна быть обеспечена также и при возможном максимальном дифференте. Должны быть предусмотрены соответствующие уплотнения препятствующие попаданию смазочного масла внутрь генератора.
7.2.2 Если применяются подшипники с принудительной смазкой (под давлением) то на постах ГЭУ должны быть предусмотрены как минимум следующие аварийно-предупредительные сигналы:
) неисправность системы. смазки (отказ насоса смазки потеря давления в трубопроводе смазки и т. п.)
) максимальная температура каждого из подшипников.
7.2.3 Генераторы должны быть оборудованы резервными (аварийными) устройствами смазки подшипников обеспечивающими достаточную смазку подшипников в течение времени до остановки машины в случае возникновения неисправности или аварии нормальной системы смазки.
7.2.4 Во избежание повреждения подшипников должны быть приняты меры препятствующие возможному протеканию электрических токов между подшипником и валом машины для чего один из подшипников должен быть гальванически изолирован от корпуса машины.
7.3 Охлаждение генераторов
7.3.1Кроме термометров должны быть предусмотрены датчики температуры охлаждающего воздуха которые должны подавать аварийно-предупредительный сигнал при превышении допустимой температуры.
7.3.2 Для машин с замкнутой системой охлаждения и теплообменным аппаратом поток первичного и вторичного охлаждающего агента должен
контролироваться. При исчезновении потока должен подаваться аварийно-предупредительный сигнал.
7.3.3Протечки воды и конденсат не должны попадать на обмотки машины. Должна быть предусмотрена сигнализация контролирующая возникновение протечек.
8 Распределительные щиты ГЭУ
8.1Распределительные щиты гребных электрических установок должны соответствовать требованиям пунктов 4.6 и 18.6 Российского Морского Регистра.
8.2 Система гребной электрической установки должна быть оборудована устройством контроля сопротивления изоляции (пункт 2.11 Российского Морского Регистра).
8.3 Переключатели предназначенные для оперативных переключений в цепях гребной электрической установки при снятом напряжении должны иметь блокировочное устройство не допускающее отключения их под током или ошибочного включения.
9 Силовые трансформаторы ГЭУ
9.1.1Трансформаторы и реакторы должны соответствовать требованиям разделов 11 и 18.4 Российского Морского Регистра.
9.1.2 Для ГЭУ должно быть предусмотрено не менее двух независимых силовых трансформаторов. Должны использоваться трансформаторы только с раздельными обмотками.
9.1.3 Температура обмоток трансформаторов применяемых для ГЭУ должна контролироваться системой датчиков и сигнализаторов.
9.1.4 Для трансформаторов ГЭУ должны быть предусмотрены амперметры на ГРЩ на первичной стороне в каждой фазе.
9.1.5Для каждого трансформатора ГЭУ должна быть предусмотрена защита от перегрузки и от короткого замыкания на первичной и вторичной
Защита на вторичной стороне может быть реализована полупроводниковым преобразователем ГЭУ.
9.2 Жидкостно – охлаждаемые трансформаторы ГЭУ
9.2.1Обмотки жидкостно – охлаждаемых трансформаторов должны быть полностью погружены в жидкость также при наклонах в любую
сторону на угол 225° включительно.
9.2.2 Трансформаторы должны быть оборудованы необходимыми устройствами для сбора и накопления утечек охлаждающей жидкости.
В районе установки трансформатора должны быть расположены устройства обнаружения пожара и устройства пожаротушения. Устройства пожаротушения допускаются с ручным управлением.
9.2.3Трансформаторы должны быть оборудованы системой защиты действующей при появлении газов в охлаждающей жидкости.
9.2.4Температура охлаждающей жидкости должна контролироваться системой датчиков. Должен быть предусмотрен аварийно – предупредительный сигнал по превышению температуры
охлаждающей жидкости а также от отдельного датчика должна быть предусмотрена защита отключающая трансформатор если температура
жидкости превысит предельно допустимую.
9.2.5Уровень охлаждающей жидкости должен контролироваться двумя датчиками один из которых должен приводить в действие аварийно-предупредительный сигнал а второй установленный на предельно допустимый уровень должен отключить трансформатор.
9.3 Трансформаторы ГЭУ охлаждаемые воздухом
9.3.1Работа вентиляторов для охлаждения трансформаторов а также температура охлаждающего воздуха должна контролироваться системой датчиков.
При превышении температуры или выходе из строя вентиляторов должен подаваться аварийно – предупредительный сигнал.
9.3.2 При применении замкнутой воздушной системы охлаждения с воздухоохладителем должны дополнительно к требованиям изложенным в 7.9.3.1 контролироваться:
) минимальный поток первичного и вторичного контура охлаждающих сред (воздуха и воды);
) при протечках теплообменного аппарата должен срабатывать аварийно-предупредительный сигнал.
Теплообменный аппарат должен устанавливаться таким образом чтобы протечки воды и конденсат не могли попадать на обмотки.
10 Полупроводниковые преобразователи ГЭ
10.1 Общие требования
10.1.1 Преобразователи должны соответствовать требованиям разделе 12 Российского Морского Регистра.
10.1.2 Для ГЭУ должно предусматриваться как минимум два полностью независимых отдельно установленных полупроводниковых преобразователя.
10.1.3 Для каждого преобразователя должна быть предусмотрена отдельная система управления.
10.1.4 Для каждой системы управления должны предусматриваться два гальванически изолированных датчика скорости. Общий корпус для обоих датчиков допускается.
10.1.5 Если преобразователь подает питание на ГЭД с постоянным возбуждением то в главной цепи «двигатель - преобразователь» должен быть предусмотрен выключатель – разъединитель который автоматически должен разрывать главную цепь в случае неисправности инвертора (выпрямителя). Должны быть предусмотрены устройства диагностики обнаруживающие появление таких неисправностей.
10.1.6 Полупроводниковые преобразователи а также аппаратура цепей главного тока должны выдерживать перегрузки по току не менее чем 250%Iном в течение 2 с.
10.1.7 Преобразователи для ГЭУ должны быть рассчитаны на номинальный момент привода (номинальный момент на гребном валу). При этом должно быть учтено чтобы кратковременные перегрузки и изменения (провалы) частоты вращения вызванные перегрузкой не приводили к срабатыванию защиты преобразователей.
10.1.8 Шкафы полупроводниковых преобразователей должны соответствовать требованиям пункта 4.6 и раздела 18 Российского Морского Регистра.
10.1.9 Конструкция шкафов полупроводниковых преобразователей должна предусматривать возможность быстрой замены силовых компонентов. Это может быть достигнуто применением модульной конструкции отдельных тиристоров тиристоров одной фазы или иным способом.
10.2Охлаждение полупроводниковых преобразователей
10.2.1 Если преобразователи оборудованы принудительной системой охлаждения то должен быть предусмотрен контроль ее состояния. В случае
выхода из строя системы охлаждения должны быть предусмотрены меры предотвращающие перегрев и выход из строя преобразователя.
10.2.2 Для систем охлаждения должна быть предусмотрена система аварийно-предупредительной сигнализации. Сигнал АПС может быть выполнен по исчезновении потока охлаждающей среды либо по высокой температуре полупроводников.
10.2.2 Единичные неисправности в системе охлаждения преобразователей не должны приводить к отключению всех преобразователей гребной электрической установки судна.
10.3 Защита полупроводниковых преобразователей
10.3.1 Эксплуатационные перенапряжения в системе питания преобразователей должны быть ограничены соответствующими устройствами не допускающими повреждений (пробоев) тиристоров.
10.3.2 Система управления должна обеспечивать чтобы во всех эксплуатационных и наиболее тяжелых условиях номинальный ток полупроводниковых элементов не был превышен.
10.3.3 Силовые полупроводники должны выдерживать без повреждений короткое замыкание на клеммах преобразователя. Допускается зашита от токов короткого замыкания предохранителями. Соответствующие обратные связи преобразователя должны контролировать (ограничивать) ток таким образом чтобы ни один компонент не был поврежден даже в случае когда преобразователь включен на двигатель с заторможенным ротором.
11 Фильтрация гармонических составляющих
11.1Должны применяться линейные фильтры ограничивающие до допустимого уровня искажения синусоидальности напряжения на шинах ГРЩ при любых режимах работы ГЭУ.
11.2 Цепи каждого фильтра должны иметь защиту от сверхтоков и токов короткого замыкания. Целостность предохранителей в цепях фильтров должна контролироваться. При перегорании любого предохранителя должен быть сигнал АПС.
11.3 При конструировании и использовании линейных фильтров следует учитывать возможность их подключения в любой конфигурации. В частности авто резонанс должен быть исключен при любых условиях нагрузки и сочетании работающих генераторов.
11.4В случае наличия нескольких параллельных цепей фильтра должна контролироваться симметричность токов. Несимметричное распре
деление токов в цепях отдельного фильтра а также неисправность самого фильтра должны приводить к срабатыванию сигнализации (АПС).
12 Гребные электрические двигатели (ГЭД)
12.1Общие требования
12.1.1 Обмотки статоров двигателей переменного тока а также главные и дополнительные полюса и компенсационные обмотки двигателей постоянного тока электрических машин мощностью выше 500 кВт должны быть оборудованы датчиками температуры.
12.1.2 В отношении конструкции и смазки подшипников ГЭД должны быть выполнены требования 17.7.2.
12.2.1Система охлаждения должна обеспечить достаточное охлаждение гребного двигателя при любых его нагрузках и при любых скоростях вращения.
12.2.2 ГЭД должны быть оборудованы встроенными датчиками температуры которые должны подавать аварийно – предупредительный
сигнал при превышении допустимой температуры.
12.2.3 В машинах с замкнутой системой охлаждения и теплообменным аппаратом должен контролироваться также поток первичного и вторичного охлаждающего агента.
12.2.4Должна быть предусмотрена сигнализация контролирующая возникновение протечек. Расположение теплообменного аппарата должно быть таким чтобы протечки воды и конденсата не попадали на обмотки.
12.2.5 В случае выхода из строя системы охлаждения гребного двигателя должен быть предусмотрен аварийный режим работы для обеспечения маневрирования судна в сложных навигационных условиях. При этом допускается вмешательство оператора для принудительного открытия аварийных воздушных заслонок охлаждения.
12.2.6 Гребные электрические двигатели с воздушным охлаждением должны быть оборудованы двумя вентиляторами принудительной вентиляции каждый из которых имеет подачу достаточную для обеспечения нормальных условий работы электрического двигателя. Должна быть предусмотрена световая сигнализация о работе и аварийно-предупредительная сигнализация об остановке вентиляторов.
12.2.7 Система жидкостного охлаждения для многоякорных машин должна быть автономной для каждого якоря.
12.3.1 Защита от перегрузки в главных цепях и цепях возбуждения должна быть настроена таким образом чтобы исключить ее срабатывание при перегрузках вызванных маневрированием судна при ходе в штормовых условиях или ходе в битом льду.
12.3.2 Защита от коротких замыканий и перегрузки двигателя может обеспечиваться преобразователем. При этом должны быть приняты во внимание различия в конструкциях гребных электрических машин (машина постоянного тока синхронная машина асинхронная машина или машина с возбуждением от постоянных магнитов).
12.3.3 Должно быть предусмотрено независимое устройство защиты от чрезмерной частоты вращения (разноса) как это требуется в пункте 2.11 части IX «Механизмы» Российского Морского Регистра.
Гребной электрический двигатель должен выдерживать чрезмерную частоту вращения в пределах рабочих характеристик защитного устройства настроенного на срабатывание при заданной чрезмерной частоте вращения.
12.3.4 Двигатель должен выдерживать без повреждений токи внезапного короткого замыкания на его клеммах при номинальной нагрузке.
Установившийся ток короткого замыкания двигателя имеющего постоянное возбуждение не должен приводить к термическим повреждениям обмоток и его токонесущих компонентов токосъемных колец кабелей фидеров или шинопроводов.
13 Специальные требования к погружным поворотным гребным электрическим двигателям
13.1 Общие требования
13.1.1 Если в рабочем состоянии пространство где расположена электрическая машина и другое оборудование недоступно и имеет особые окружающие условия (высокую температуру влажность и т. п.) должны быть предусмотрены специальные меры такие как применение особо надежных материалов и комплектующих соответствующее количество датчиков контроля а также специальные средства для защиты компонентов от затопления и повреждений.
13.1.2 Комплектующие элементы элементы управления датчики токосъемные кольца кабельные соединения и вспомогательные приводы должны без повреждений выдерживать вибрационные нагрузки с ускорением по крайней мере 4g в диапазоне частот 3 — 100 Гц.
13.2.1 Датчики которые могут быть заменены только при доковании судна должны быть сконструированы как дублированные т. е. с двумя чувствительными элементами в одном корпусе.
13.3.1 Уровни наполнения масла в корпусах подшипников должны контролироваться датчиками как на стоянке так и при работе. Любые утечки масла должны вызывать срабатывание АПС.
Это требование применимо также к циркуляционным системам смазки. Такие системы должны дополнительно быть оборудованы контролем потока смазочного масла. АПС по снижению потока смазочного масла должна быть независимой от системы управления ГЭД.
13.3.2 Температура подшипников вала должна контролироваться системой АПС и защиты действующей в два этапа. Этап 1-й — сигнал АПС
этап 2 – й — остановка двигателя. Система защиты должна быть независимой от системы индикации температуры подшипников и АПС.
13.4 Колодцы в гондолах ППГЭД
13.4.1 Уровень воды в колодцах гондол и помещений связанных с ними должен контролироваться датчиками уровня. В дополнение к датчикам верхнего уровня воды в колодцах работающим на АПС должны быть предусмотрены независимые датчики исключающие ложные срабатывания для контроля верхнего аварийного уровня которые автоматически останавливают ППГЭД.
13.5 Система обнаружения пожара
Должна быть предусмотрена эффективная система пожарообнаружения предусматривающая необходимое количество и типы датчиков. Общие требования к таким системам изложены в пункте 7.5 Российского Морского Регистра.
13.6Доступные пространства (в гондоле двигателя)
В пространствах гондолы где проводятся регулярные профилактические работы и осмотры оборудования должна быть предусмотрена система освещения и вентиляции.
13.7.1 Двигатели мощностью более 1 МВт и все двигатели с постоянным возбуждением должны иметь защиту от внутренних повреждений которая также защищает линию главного тока между полупроводниковым преобразователем и двигателем. Отключение поврежденного (неисправного) оборудования должно быть выполнено с соответствующей выдержкой времени и подачей аварийно – предупредительного сигнала.
13.7.2 Влажность воздуха в двигателях с замкнутой системой воздушного охлаждения должна контролироваться. При превышении допустимого уровня влажности должен быть предусмотрен сигнал АПС.
13.8 Цепи главного тока питания двигателя
13.8.1 Кабели питания имеющие высокую допустимую рабочую температуру должны прокладываться отдельно от других кабелей. Если
необходимо должны предусматриваться разделяющие устройства препятствующие контактам внешних оболочек кабелей.
13.8.2 Степень защиты оболочек (IР) для всех контактных соединений оконцеваний кабелей и шинных соединений должна быть такой же как и степень защиты оболочки двигателя однако не менее чем ГР44. Эти требования распространяются также на кабели управления.
13.9Токосъемные кольца
13.9.1 Если данные от датчиков обратных связей контролируемых параметров и т. п. передаются через систему информационных шин токосъемных колец то система шин должна быть дублированной. Выход из строя любой из систем шин должен вызывать срабатывание АПС.
13.9.2 Блок токосъемных колец оборудованный внешней принудительной системой охлаждения должен быть способен работать без системы охлаждения определенный период времени. Выход из строя системы охлаждения должен вызывать срабатывание АПС.
13.10 Азимутальный привод
13.10.1 Азимутальный привод должен соответствовать требованиям предъявляемым к рулевым машинам в соответствии с требованиями 5.5.
13.10.2 Для всех электрических и гидравлических компонентов системы должен быть обеспечен принцип локализации (исключения влияния на функционирование) единичной неисправности. Безопасное функционирование судна должно быть обеспечено вне зависимости от углового положения руля и скорости судна в любой момент времени когда происходит неисправность. Проектант должен разработать и представить на согласование «Анализ влияния видов неисправностей» (FМЕА).
13.10.3 Положение угла разворота азимутального привода должно быть указано механическим индикатором на шкале в месте установки привода (румпельное отделение).
13.10.4 Для каждой азимутальной установки должно быть предусмотрено как минимум два независимых электрических привода для разворота. Один из этих приводов должен получать питание от ГРЩ а другой — от АРЩ.
13.10.5 Азимутальные электрические приводы должны иметь защиту от перегрузки (допускается осуществлять системой преобразователя) и от короткого замыкания. Они должны быть способны обеспечить 160 % номинального момента необходимого для обеспечения номинальной скорости разворота в соответствии с требованиями пункта 7.2.3 части VII «Механические установки» Российского Морского Регистра.
Азимутальные приводы иной конструкции например гидравлические должны также соответствовать изложенным выше требованиям.
13.10.6 Азимутальный угол упора должен быть ограничен до +35°. При небольшой пропульсивной мощности и следовательно при небольшой скорости судна или при аварийном «Стоп — маневре» это ограничение может быть снято системой управления.
13.10.7 Азимутальный угол упора должен ограничиваться в зависимости от ступеней задаваемой скорости судна для того чтобы не подвергать судно опасности (из-за чрезмерного упора во время поворота). Система таких ограничений (блокировок) должна быть обеспечена необходимым резервированием и должна действовать независимо от системы управления азимутальным углом (разворотом гондолы ГЭД).
13.10.8Достижение или превышение допустимых величин ограничений азимутального угла должно вызывать срабатывание АПС. После срабатывания ограничения должно быть возможным возвращение привода к допустимым углам разворота привода без ручного возврата.
13.10.9 Оборудование обеспечивающее функционирование и индикацию азимутального привода должно быть выполнено так чтобы обеспечивалась четкая и понятная индикация положения задаваемого направления упора гребного винта или направления движения судна. Для оператора должно быть четко различимо какое из двух заданий было выбрано: направление движения судна или направление упора гребного винта ГЭУ.
13.10.10Местный пост управления для азимутальной установки должен быть оборудован следующим приборами:
) амперметрами для каждой системы питания каждого компонента нагрузки;
) индикаторами азимутальных углов (углов разворота) для каждого привода;
) индикаторами готовности системы питания для каждого привода;
) индикаторами нарушения (неготовности) системы питания для каждого привода;
и предусматривать следующее:
) ограничение мощности (от преобразователя);
) управление из ЦПУ;
) управление с ходового мостика;
)управление с местного поста управления;
) индикацию «в работе» для соответствующего привода гребного винта.
Местный пост управления может быть активирован (введен в действие) на месте в любое время и должен иметь высший приоритет (доминирование).
14 Системы управления гребными электрическими установками
14.1 Системы управления электроэнергетической установкой ГЭУ
14.1.1 Для систем питания ГЭУ с генераторами работающими параллельно должна предусматриваться автоматизированная система управления электростанцией обеспечивающая адекватное генерирование электроэнергии в соответствии с потребностями конкретных режимов работы ГЭУ в том числе при ходе в море и маневрировании. Автоматическое отключение генераторов по сигналу достаточности или избыточности мощности в режиме маневрирование не допускается.
14.1.2 В случае снижения частоты на шинах ГРЩ перегрузки по току или перегрузке и реверсе мощности передаваемая на гребную электрическую установку мощность должна автоматически ограничиваться (во избежание обесточивания глин ГРЩ).
14.1.1.3 Если генераторы работали параллельно и один из них был отключен системой защиты то автоматизированная система управления электростанцией должна автоматически снизить мощность гребной электрической установки с тем чтобы оставшиеся генераторы были защищены от неприемлемых перегрузок и продолжали бы работать при допустимых нагрузках. Это же требование должно быть применимо к разделительным автоматическим выключателям на шинах ГРЩ.
14.1.4 Срабатывание автоматического разделительного выключателя шин ГРЩ не должно приводить к неисправности в системе. При этом не требуется чтобы система управления электростанцией оставалась в автоматическом режиме если система питания разделена
Любая потеря автоматических функций системы управления должна приводить к срабатыванию АПС.
14.2 Расположение постов управления ГЭУ
14.2.1 Посты управления ГЭУ могут быть расположены в любом удобном месте в соответствии с назначением судна.
Если предусматриваются посты управления вне машинного помещения т. е. на мостике или других местах то должны также предусматриваться посты управления в машинном помещении или в ЦПУ.
14.2.2 Местный пост управления является доминирующим и должен располагаться в непосредственной близости от привода или полупроводниковых преобразователей.режимов ГЭУ задаваемые с этого поста должны индицироваться системой показывающей заданную и выполненную команды.
14.2.3При наличии нескольких постов управления должен быть предусмотрен переключатель постов расположенный в помещении доминирующего поста управления. Такой переключатель должен обеспечивать включение любого но только одного поста управления (центральный и бортовые посты на ходовом мостике рассматриваются как
14.2.4Каждый пост управления должен быть оборудован устройством аварийной остановки ГЭД независимым от системы управления и активным
(включенным) постом управления.
14.3 Главный и местный посты управления
14.3.1 Должны предусматриваться как минимум два независимых друг от друга поста управления ГЭУ - главный пост и местный пост управления.
14.3.2 В случае повреждения неисправности или потери питания системы управления на главном посту должно быть предусмотрено управление преобразователями ГЭУ с местного поста управления.
14.3.3 Системы управления на мостике должны быть выполнены таким образом чтобы система управления разворотом (изменением азимута упора) действовала независимо от системы управления частотой вращения и реверсом ГЭД гребной электрической установки.
14.3.4 Срабатывание АПС по всем параметрам гребной электрической установки должны квитироваться на местном посту управления. Предупредительные сигналы которые не требуют срочного последующего вмешательства персонала могут квитироваться на главном посту управления (на ходовом мостике) с обязательным последующим квитированием на местном посту.
14.3.5 Повторный старт (пуск) ГЭУ должен быть возможен с обоих постов управления (местного и главного) в зависимости от того какой пост был заранее выбран. После обесточивания ГРЩ повторный запуск гребной установки должен быть возможен с главного поста управления.
14.3.6 Если управление со щита или с пульта гребной электрической установки осуществляется с применением электрического пневматического или гидравлического привода то выход из строя этого привода не должен сопровождаться отключением
гребной электрической установки а каждый из постов на щите или пульте должен быть немедленно готов к действию вручную.
14.3.7 Допускается применение механически связанных постов установленных в ходовой рубке (на мостике) для синхронной их работы.
14.3.8 Система дистанционного управления гребной электрической установкой должна иметь такую конструкцию чтобы не требовалось выдержки времени со стороны персонала при перекладке рукоятки управления на посту управления.
14.3.9 Система управления гребной электрической установкой должна иметь блокировку исключающую возможность приведения в действие установки при включенных валоповоротных устройствах.
14.3.10 Каждый пост управления должен иметь световую сигнализацию о наличии напряжения в цепи управления.
14.4 Измерительное индицирующее и контролирующее оборудование
14.4.1 Неисправности в системах измерения контроля и индикации не должны приводить к неисправностям в системе управления ГЭУ например неисправность датчика действительной величины (частоты вращения) или датчика величины опорного сигнала частоты вращения не должны приводить к чрезмерному увеличению частоты вращения гребного винта.
14.4.2 На местном (доминирующем) посту управления должны быть предусмотрены:
) амперметры для каждой линии питания каждого силового компонента установки (ток статора каждой обмотки и т. п.) а также в цепи возбуждения (для систем с регулируемым возбуждением);
) вольтметры для каждой линии питания каждого силового компонента установки а также для питания системы возбуждения (для систем с регулируемым возбуждением);
) индикатор частоты вращения каждого гребного вала;
) индикатор «Электростанция готова к работе ГЭУ»;
) индикатор «Электростанция не готова к работе ГЭУ»;
) индикатор «Ограничение мощности ГЭУ» (от конвертера);
) индикатор «Управление из ЦПУ»;
) индикатор «Управление с ходового мостика»;
) индикатор «Управление с местного поста управления».
14.4.3 На главном посту управления (на ходовом мостике) должны быть предусмотрены:
) индикаторы частоты вращения каждого гребного вала;
) приборы измерения мощности каждого вала;
) индикатор «Электростанция готова к включению» (дополнительных генераторов);
) индикатор «Ограничение мощности ГЭУ»;
) индикатор «Требуется снизить мощность» - если не включена система автоматического управления или включена кнопка «оуегпйе» (отмена автоматического управления станцией);
) индикатор «Управление с местного поста»;
) индикация генераторов работающих на ГЭУ;
) индикатор мощности остающейся в резерве (рекомендуется).
14.4.4 Если предусмотрено два или более постов управления для изменения скорости и угла разворота лопастей ВРШ то на каждом из этих постов должны быть предусмотрены индикаторы как изменения скорости так и угла разворота лопастей ВРШ.
14.4.5 На посту управления в ЦПУ должны быть предусмотрены:
) индикатор «Требуется снизить мощность» если не включена система автоматического управления или включена кнопка «оуеггМе» (отмена автоматического управления станцией);
) индикация генераторов работающих на ГЭУ.
Перечень контролируемых параметров системой АПС указан в таблицах 7.14.4.5 – 1 и 7.14.4.5 – 2.
14.5 Отказоустойчивость систем управления ГЭУ
14.5.1Системы управления ГЭУ с применением процессоров должны соответствовать требованиям разд. 7 части XV «Автоматизация».
14.5.2Потеря питания или неисправности любых других систем управления и контроля не должны приводить к потере хода и управления ГЭУ управляемости судна или азимутального привода.
14.5.3 Гребная электрическая установка азимутальные приводы и их системы управления должны иметь систему самоконтроля и АПС для быстрого обнаружения неисправностей.
14.5.4 Большинство возможных неисправностей таких как потеря питания обрыв или короткое замыкание в кабелях и проводах должны приводить к наименее критическому из всех возможных новых состояний судна (выход из строя в безопасную сторону).
15 Электрические муфты
15.1 Общие требования
15.1.1 Электрические муфты должны иметь конструкцию допускающую демонтаж муфты без разборки приводного двигателя или редуктора. Электрические муфты должны быть сконструированы и расположены таким образом чтобы к ним был обеспечен свободный доступ для обслуживания замены щеток и измерения воздушного зазора без
15.1.2 Корпуса и подшипниковые щиты должны изготовляться из стали или равноценного по прочности материала.
15.1.3 Вращающиеся части муфт а также их обмотки должны быть сконструированы и закреплены таким образом чтобы в случае внезапной
остановки они не получили повреждений. Электрические муфты не должны создавать осевых усилий. Степень балансировки муфт должна отвечать
требованиям пункта 4.1.2 части IХ «Механизмы» Российского Морского Регистра.
15.1.4 Максимальный момент в режиме форсировки возбуждения не должен превышать двукратного номинального момента муфты.
Требования настоящей главы распространяются также на электрические муфты устанавливаемые в других системах.
15.2Защита и блокировка
Система соединения муфты должна быть разработана таким образом или применена такая блокировка чтобы исключалась возможность подачи возбуждения на муфту во время пуска или реверса главного двигателя.
При работе нескольких приводных двигателей на общую передачу должна применяться блокировка в схеме возбуждения электрических муфт исключающая одновременное включение приводных двигателей вращающихся в противоположных направлениях.
15.3Возбуждение электрических муфт
Обмотки возбуждения электрических муфт должны быть защищены от перенапряжения.
В цепи возбуждения электрических муфт должны быть установлены:
) двухполюсный выключатель;
) устройство гашения магнитного поля;
) защита от короткого замыкания.
СТРУКТУРЫ СИЛОВЫХ СХЕМ ГЭУ РАЗЛИЧНЫХ СУДОВ
Здесь рассмотрены силовые схемы ГЭУ с целью ознакомления с построением силовых структур на примере конкретных судов.
1 Атомный ледокол «Арктика»
1.1 Краткая характеристика ледокола
Построен на Балтийском судостроительном заводе в 1971 году. Тип судна — атомный трехвальный турбоэлектрический ледокол с избыточным надводным бортом и развитой пятиярусной средней надстройкой. Основные данные:
Длина наибольшая м 1479
Ширина наибольшая м 299
Высота борта до верхней палубы м 172
Водоизмещение наибольшее т 23400
Мощность главных турбогенераторов л.с 75 000
Распределение мощности по винтам 1:1:1
Максимальная скорость судна уз 21
Для повышения ледоходности а также быстрого освобождения при заклинивании в тяжелых льдах предусмотрены дифферентная и креновые системы с дистанционным управлением из ходовой рубки.
1.2 Энергетическая установка
Энергетическая установка состоит из атомной паропроводящей установки (АППУ) паротурбинной установки судовой электростанции водоопреснительной установки и парогенераторов низкого давления.
Паротурбинная установка включает в себя два главных турбогенератора (ГТГ) мощностью 37500 л.с. каждый. Вращение без редуктора. Последовательно соединено три генератора переменного тока. Длина агрегата 192 м масса 234 т. Водоочистительная установка служит для приготовления дистилета используемого в контурах АППУ.
Парогенераторы низкого давления предназначены для обеспечения бытовых нужд.
Вспомогательная котельная установка работает в режиме стоянки при неработающей АППУ.
На ледоколе две основные (носовая и кормовая) и одна аварийная электростанции (ЭС) напряжением 380 В 50 Гц.
Носовая: 2 турбогенератора ТК2-2 2000 кВт и один ГРЩ.
Кормовая: 3 турбогенератора ТК2-2 2000 кВт и один РЩ.
1.3 Принцип построения ГЭУ
При проектировании ГЭУ рассматривались следующие варианты:
) с ГЭД постоянного тока и СГ с неуправляемыми выпрямителями;
) с ГЭД постоянного тока и СГ с управляемыми выпрямителями;
) с ГЭД переменного тока и СГ и ПЧ;
Из всех перечисленных первая схема показалась на тот момент времени наиболее реализуема.
Применение генераторов переменного тока и возможность их использования практически на любой частоте вращения позволили:
а) соединить турбину с генераторами без редуктора:
б) разработать главную турбину с оптимальным и техническими характеристиками;
в) скомпоновать 2 турбины и 6 генераторов в одном машинном отделении;
г) снизить уровни шума и вибрации;
д) повысить на 2 - 25% КПД (по сравнению с постоянным током).
При аварийном выходе из строя атомной установки в течение времени необходимого для пуска и подключения резервных или аварийных источников электроэнергии питание электродвигателей ответственных потребителей механизмов обеспечивающих живучесть установки может производиться либо от турбогенераторов работающих на остаточной паропроизводительности (т.е. за счет использования теплового выбега) либо от специально устанавливаемых для этого аккумуляторных батарей и обратимых преобразователей.
Второй способ значительно усложняет систему питания требует дополнительных помещений для размещения электрооборудования увеличивает его первоначальную стоимость и последующие расходы при эксплуатации.
Расчеты показали что при выбранном для ледокола конкретном типе АППУ время теплового выбега главного турбогенератора мощностью 37500 л.с. может оказаться недостаточным так как оно соизмеримо со временем подключения аварийных источников.
Бесперебойное питание необходимое для потребителей первой категории может быть обеспечено только при помощи автономных вспомогательных турбогенераторов (ВТГ) меньшей мощности. Это основная причина по которой отбор мощности главных генераторов был признан нецелесообразным. Дальнейшие испытания подтвердили правильность решения так как оставшиеся в работе ВТГ обеспечивают надежное питание до запуска аварийных дизель-генераторов.
Рисунок 8.1 — Структурная схема ГЭУ
В состав ГЭУ (рисунок 8.1) входят два главных турбогенератора ГТП ГТГ2 6 выпрямительных установок ВУ 3 двухъякорных ГЭД 6 нереверсивных тиристорных возбудителей генераторов ВТ 6 реверсивных тиристорных возбудителей ГЭД пульт электродвижения ПДУ и т. д.
1.4 Основные элементы ГЭУ
) Главные генераторы.
Главные генераторы имеют следующие номинальные характеристики:
Полная мощность кВ-А 10220
Номинальная мощность кВт 9000
Частота тока Гц 1167
Частота вращения обмин 3500
Напряжение возбуждения В 185
Ток возбуждения А 250
Генератор имеет одну обмотку возбуждения и две статорных имеющих относительно друг друга фазовый сдвиг в 27 эл. град.; число выводов обмотки статора – 12.
) Выпрямительные установки.
В качестве выпрямительных установок применены 6 установок типа ВУКЭП-9000-1000. Каждая состоит из двух неуправляемых мостов подключенных к статорным обмоткам. Имеет место 12-фазная схема выпрямления. Уровень пульсации выпрямленного напряжения 8 - 10%. Выпрямительный мост собран по трехфазной схеме с применением кремниевых вентилей типа ВКДЛ-200 и состоит из четырех разъемных блоков: трех одинаковых силовых блоков и одного блока с вентилятором и воздухоохладителем. Каждое плечо выпрямительного моста имеет 18 параллельно соединенных цепочек состоящих из двух последовательно включенных вентилей и быстродействующего предохранителя. Габаритные размеры установки: 42x32x25.9000 кг. КПД 99%.
) Гребные электродвигатели.
Для привода гребных винтов применены три двухъякорных ГЭД постоянного тока 2МШ7600-В.
Номинальные характеристики:
Мощность кВт 2х(8800835081008100)
Частота вращения обмин .130165178185
Напряжение на якоре В 1000
Ток якоря А 9200870084008400
Напряжение возбуждения В 190
Ток возбуждения А 190
Для питания обмоток возбуждения генераторов и ГЭД применены шесть нереверсивных статических возбудителей генераторов (ВГ) ВАКС-150-330 с выходным напряжением 220В и силой тока 300 А и шесть реверсивных статических возбудителей якорей ГЭД (ВД) ВАКСР-150-330 с выходным напряжением 220 В и силой тока 250 А. Возбудители собраны по трехфазной мостовой симметричной схеме. Возбудители якорей ГЭД состоят из двух нереверсивных преобразователей. В одном из них вместо силового трансформатора установлено 4 уравнительных реостата.
1.5 Схема главного тока и основные режимы работы
Схемы главного тока всех трех гребных электродвигателей одинаковы и каждая состоит из двух электрически не связанных между собой контуров (рисунок 8.2). Носовой якорь ЯН получают питание от правого турбогенератора кормовой якорь ЯК - от левого. Такое построение схемы обеспечивает работу каждой главной турбины одновременно на все три гребных электродвигателя что особенно важно в случае выхода из строя одной из турбин при нахождении судна в ледовых условиях. Мощности оставшейся в работе турбины вполне достаточно для обеспечения проводки судов на небольших скоростях. Использование полной мощности турбины достигается включением генератора на оба последовательно соединенных якоря гребного электродвигателя; при включении генератора на один якорь загрузка турбины составляет около 07 номинальной. Включение генераторов в работу и выключение их производится избирательными переключениями 1И ПИ имеющими три положения.
Каждый генератор может быть включен на один или два соединенных последовательно якоря ГЭД. В зависимости от этого они могут работать в следующих режимах:
) два ГТГ на три ГЭД (шесть генераторов на шесть якорей ГЭД);
) ГТГ № 1 на три ГЭД с раздельным соединением якорей (три генератора турбины № 1 на носовые якоря ГЭД);
) ГТГ № 1 на три ГЭД с последовательным соединением якорей (три генератора турбины № 1 на шесть якорей якоря каждого ГЭД соединены последовательно);
) тот же что и режим 2 но при работе турбины № 2 на кормовые якоря ГЭД;
) тот же что и режим 3 но при работе турбины № 2.
Рисунок 8.2 — Принципиальная схема главного тока одного ГЭД
Независимо от условий плавания ледокола обычно применяется режим 1 так как при необходимости экономические (частичные) режимы установки получают не отключением части генераторов как на дизель-электрических установках а выбором одного из пяти уровней мощности ГЭУ (100 90 55 и 25%) путем регулирования возбуждения генераторов. Поэтому режимы 2-5 применяют только в случае выхода из строя одной турбины причем 2 и 4 - только при плавании ледокола в легких условиях с недогрузкой турбины а 3 и 5 - когда необходимо использовать полную мощность оставшейся в работе турбины.
В зависимости от количества исправных генераторов и якорей ГЭД могут быть получены и другие варианты схем главного тока с неравномерной и равномерной загрузкой ГЭД и их якорей. Наличие индивидуального выключателя для каждого генератора позволяет производить операцию по их включению и отключению сравнительно быстро и просто. И4 используют для автоматического разрыва цепи главного тока. Размыкание с выдержкой 03 с обеспечивает разрыв при несколько пониженном напряжении главных генераторов. Избирательные переключатели выполнены с применением в качестве главных контактов трех однополюсных выключателей ВВ-100-12 и двухполюсного автоматического выключателя перегрузки АВ-100-12. Шинопроводы состоят из четырех шин сечением 200x11 мм проложены в специальных коридорах и закрыты легкими защитными кожухами. Шинопроводы имеют протяженность 550 м.
2 Дизель-электрические ледоколы типа «Ермак»
2.1 Краткая характеристика ледокола
В 1974 - 1977 годах вступили в строй самые мощные дизель-электрические ледоколы «Ермак» «Адмирал Макаров» «Красин» построенные на финской верфи. Основные данные:
Длина наибольшая м 135
Ширина наибольшая м 26
Высота борта до верхней палубы м 167
Осадка наибольшая м 117
Водоизмещение т 22240
Мощность дизеля л.с. 41400
Мощность на гребных валах л.с. 36000
Скорость в свободной воде уз. 21
Число гребных винтов 3 (корма)
Ледокол имеет 4 непрерывные палубы две платформы и пятиярусную надстройку. В среднем ярусе надстройки находится рубка. Есть взлетно-посадочная площадка ангар 26x18м.
2.2 Энергетическая установка
В состав установки входит следующее основное оборудование:
- девять главных дизель-генераторов каждый из которых состоит из дизеля мощностью 4600 л.с. при частоте вращения 380 обмин и генератора постоянного тока мощностью 3080 кВт напряжением 800 В;
- три сдвоенных ГЭД постоянного тока каждый мощностью 2x4410 кВт напряжением 1200 В. Четыре Д - Г расположено в носовом и пять - в кормовом отделениях.
Для питания судовых потребителей предусмотрено 6 вспомогательных дизель-генераторов переменного тока мощностью 1126 кВт напряжением 400 В при частоте вращения 750 обмин.
2.3. Схема главного тока
Схемы главного тока всех трех гребных электродвигателей в основном аналогичны. Каждая состоит из трех главных генераторов и одного двухъякорного гребного электродвигателя соединенных переменно-последовательно в один контур (рис. 8.3). При необходимости главные генераторы с помощью переключающих разъединителей ПР могут подключаться к различным гребным электродвигателям. Генераторы исходящие обычно в контур среднего ГЭД могут также подключаться к любому из двух контуров бортовых ГЭД а генераторы бортовых контуров — только к контуру среднего ГЭД. Включение генераторов в контур производится генераторными выключателями ГВ. Имеется блокировка которая позволяет включать их в том случае если переключающим разъединителем генератор подключен к этому выключателю.
Посредством генераторных выключателей можно выключать и включать генераторы во время работы установки так как их контакты работают с перекрытием.
При включении сначала замыкается цепь якоря а затем размыкается средний (шунтирующий) контакт; выключение происходит в обратном порядке: якорь генератора замыкается накоротко а затем отключается.
Система главных шин каждого полюса разделена на две части по которым проходит главный ток. Для измерительных приборов и реле предусмотрены собственные шунты. Приборы защиты главных генераторов от тока короткого замыкания смонтированы на шинах главного тока. В случае неисправности эти защиты отключают соответствующий генераторный выключатель.
Рисунок 8.3 — Принципиальная схема главного тока ГЭУ ледоколов типа «Ермак»
К системе подключены датчики Холла для измерения мощности.
2.4 Схема возбуждения
Обмотки возбуждения получают питание от реверсивных тиристорных возбудителей каждый из которых состоит из двух мостов включенных встречно-параллельно. На каждые три генератора питающие один ГЭД предусмотрены два реверсивных возбудителя: основной и резервный имеющие отдельные трансформаторы питания.
На рисунок 8.4 приведена схема ГЭУ парома «Дойчланд» (ФРГ). В состав электроэнергетической установки судна входят:
а) девять бесщеточных синхронных дизель-генераторов мощность по 2100 кВ-А (часовая мощность 2400 кВ-А);
б) четыре силовых блока тиристорных выпрямителей мощность по 5300 кВт рассчитанные на напряжение 1000 В переменного тока и выпрямленный ток 4400 А;
в) два двухъякорных ГЭД мощностью 2
г) два носовых подруливающих устройства мощностью по 750 кВт с частотой вращения 980 обмин;
д) два трансформатора по 2000 кВ-А.
Используются генераторы с двумя самосмазывающимися подшипниками и вентиляцией по разомкнутому циклу с воздухоохладителями ГЭД - с тремя подшипниками скольжения с кольцевой смазкой и нагнетательным масляным насосом автоматически действующим при падении частоты вращения ниже 20 обмин.
Питание тиристорных выпрямителей осуществляется от двойной системы сборных шин связанных междушинными выключателями. Питание двух якорей одного ГЭД производится от разных секций. При одновременной аварии обеих секций (что маловероятно) предусматривается переключение тиристорных блоков на вторую систему сборных шин (одну из секций) с помощью кабельных перемычек. Вторая система шин представляет собой высоковольтные секции шин судовой сети на которые также могут включаться один или два главных генератора. При замкнутом междушинном выключателе на секции электродвижения могут работать не более пяти генераторов. В случае короткого замыкания отключение этого выключателя осуществляется за 30 - 60 мс.
От шин электродвижения получают также питание асинхронные двигатели подруливающих устройств.
— шины электродвижения; 2 — шины судовой электростанции 1000 В 50 Гц; 3 — шины неотключаемой нагрузки; 4 — шины судовой электростанции 400 В 50 Гц; АДГ — аварийный дизель-генератор; ПУ1 ПУ2 — подруливающие устройства с приводным асинхронным фазным электродвигателем; АР1 АР4 — анодные реакторы; Др1 Др4 — сглаживающие дроссели.
Рисунок 8.4 — Принципиальная схема ГЭУ парома «Дойчланд»
Питание шин общесудовых потребителей осуществляется от двух трансформаторов 1000380 В мощность по 2000 кВ-А. При повреждении этих шин производится автоматический запуск аварийного дизель-генератора мощностью 570 кВ-А с частотой вращения 1500 обмин обеспечивающего питание секции ответственных потребителей.
При работе на шины электродвижения частота вращения дизель-генераторов может изменяться системой управления в диапазоне 1200 - 1500 обмин при этом обеспечивается изменение частоты тока в диапазоне 40 - 50 Гц и напряжения в диапазоне 800-1000В.
Обмотки возбуждения ГЭД соединены последовательно и получают питание от шин 380 В через реверсивный тиристорный возбудитель. Генераторы могут включаться на параллельную работу автоматически и вручную через устройства грубой синхронизации. Контроль неисправностей и измерение параметров осуществляются в 700 точках системой централизованного автоматического контроля.
4 Пассажирское судно на 300 человек
4.1 Краткая характеристика
Назначение - пополнение флота ММП и СМП для линии Мурманск - Архангельск круизных рейсов.
Длина между перпендикулярами м 1056
Водоизмещение полное т 5750
Мощность подруливающего устройства носового кВт 800
4.2 Схема главного тока
Структурная схема главного тока представлена на рисунке 8.5.
В состав комплекта ЕЭЭУ входит следующее электрооборудование:
а) два трехфазных синхронных генератора мощность по 3200 кВт и два генератора мощностью по 2300 кВт при соsφ = 0.8 6.3 кВ 50 Гц 750 обмин (МG1 - МG4) с возбудителем и подвозбудителем навешенными на вал генератора с приводом от дизелей 8R32 и 6R.32 соответственно;
б) главное распределительное устройство (МS) 6.3 кВ с соответствующей защитной и контрольной аппаратурой;
в) четыре понижающих трансформатора 6.33.3 кВ мощностью по 2800 кВт каждый (ТV1-ТV4);
г) четыре тиристорных преобразователя частоты типа «Sam
д) два гребных асинхронных электродвигателя (М1 М2) типа АМВ 560 L6 мощностью по 3360 кВт двухобмоточных 3.3 кВ 50 Гц 900 обмин приводящих гребные винты через редукторы 900200 обмин;
е) два понижающих трансформатора (ТV5 ТV6) мощностью по 100 - 1200 кВА 6.30.4 кВ для питания общесудовых потребителей;
ж) распределительный щит (ГРЩ) 400 и 230 В (МS1) для питания общесудовых потребителей;
з) один аварийный дизель-генератор (ЕDG) с автозапуском при исчезновении напряжения на ГРЩ 400 В с генератором мощностью 100 кВт 400 В 50 Гц;
и) аварийный распределительный щит (ЕS1);
к) понижающие трансформаторы 400230 В мощностью по 160 кВт для питания судовых потребителей 220 В;
л) один вращающийся преобразователь 400230 В (М - О) для питания потребителей с КНИ 10% мощностью около 50 -70 кВт.
Рис. 8.5 — Структурная схема главного тока ЕЭЭУ пассажирского судна
Массогабаритные характеристики электрооборудования ЕЭЭУ представлены в таблице 8.1.
Таблица 8.1 — Состав и массогабаритные характеристики ЕЭЭУ пассажирского судна
Наименование электрооборудования
Общая масса в комплекте т
Главные генераторы:
а) мощностью 3200 кВт
б) мощностью 2300 кВт
00x3000x2400 3450x2000x2460
Преобразователи частоты «8агш»
Главное распределительное устройство 6.3 кВ
Понижающие трансформаторы 6.33. ЗкВ 2500 кВ-А
Продолжение таблицы 8.1
Гребные электродвигатели асинхронные
Понижающие трансформаторы 6.30.4 кВ 1000 -1200кВт
Главный распределительный щит 400 и 230 В
Аварийный распределительный щит 400 В
Вращающийся преобразователь 400230 В 50 кВт
5 Рудовоз-контейнеровоз для Арктики
5.1 Краткая характеристика
Назначение - перевозка руды генеральных грузов и контейнеров на Дудинской и других линиях Арктического бассейна. Район плавания неограниченный включая полярные и тропические широты. Основные данные:
Длина наибольшая м 165
Ширина наибольшая м 22
Высота борта на миделе по ВП м 15
Водоизмещение с полными запасами т 27350
Автономность судна суток 30
Скорость судна уз. 15
Мощность гребного винта кВт 8550
5.2 Схема главного тока
Структурная схема главного тока рудовоза-контейнеровоза представлена на рисунке 8.6.
а) три трехфазных синхронных генератора мощность по 4920 кВт и один синхронный трехфазный генератор мощностью 2460 кВт при соsφ = 0.8 6.3 кВ 50 Гц 750 обмин с возбудителем и подвозбудителем навешенными на вал генератора с автоматическим регулированием напряжения (МG1 - МG4);
б) главное распределительное устройство (М8) 6.3 кВ с соответствующей защитной и контрольной аппаратурой;
в) два понижающих трансформатора 6.33.3 кВ мощностью по 8500 кВ-А (ТV1-ТV2);
г) два тиристорных преобразователя частоты типа « Sam
д) два асинхронных трехфазных электродвигателя типа АМВ 710 Ь6 мощностью по 8000 кВт 3.3 кВ 50 Гц 900 обмин (М1 М2) приводящие один редуктор типа 1700 фирмы «Lohmann + Sto
е) два понижающих трансформатора 6.30.4 кВ мощностью по 1400 кВ-А каждый (ТУЗ - ТУ4) для питания общесудовых потребителей;
ж) главный распределительный щит 400 и 230 В (МS1);
з) один вращающийся преобразователь 400230 В мощностью по 50 кВт для питания потребителей с КНИ 10%;
и) аварийный дизель-генератор мощностью 200 кВт 400 В с автозапуском при обесточивании ГРЩ (ЕDG);
к) понижающие трансформаторы 400230 В для питания сети освещения и др. напряжением 220 В.
Рисунок 8.6 — Структурная схема главного тока ЕЭЭУ рудовоза-контейнеровоза
6 Гребная электрическая установка с пропульсивной системой Азипод
Азипод представляет собой замкнутый в гондолу электропропульсивный блок разворачивающийся на 360° и рассчитанный на мощность до 25 МВт. Блок Азипод состоит из электродвигателя переменного тока с одной или двумя катушками обмоток который приводит во вращение винт фиксированного шага. Управление двигателем осуществляется преобразователем частоты с помощью которого достигается полное регулирование крутящего момента в обоих направлениях.
Структурная схема главного тока двухвального пассажирского судна с ГЭУ на основе системы Азипод представлена на рисунке 8.7.
Рисунок 8.7 – Структурная схема ЕЭЭУ
7 Проект МСТ (морской сухогрузный транспорт)
7.1.1 Основные технические характеристики ЭЭС с ГЭУ проекта МСТ
В состав ЭЭС входят:
-главная судовая электростанция (СЭС);
-вспомогательная СЭС;
-комплекта электрораспрелелитсльных устройств (ЭРУ);
-системы управления СЭС.
Главная СЭС предназначена для питания ГЭУ. Вспомогательная СЭС обеспечивает питанием общесудовые приемники электроэнергии. Аварийная обеспечивает питанием наиболее ответственные приемники электроэнергии в случае обесточиванния главного распределительного щита (ГРЩ). В некоторых режимах (экономход) возможен отбор мощности от главной СЭС для питания общесудовых приемников электроэнергии.
7.1.2 В состав главной СЭС входят:
- главные дизель-генераторы- 4 шт.;
- щит электродвижения (ЩЭД)- 1 шт.;
- источник бесперебойного питания (ИБП)- 1 шт.;
- зарядно-разрядный щит (ЗРЩ)- 1 шт.;
- силовые трансформаторы - 2 шт.;
В состав вспомогательной СЭС входят:
- вспомогательные дизель-генераторы (ВДГ)- 4 шт.;
- главный распределительный щит (ГРЩ)- 1 шт.;
- силовые трансформаторы - 2
В состав аварийной СЭС входят:
- аварийный дизель-генераторы (АДГ)- 1шт.;
- аварийный распределительный щит (ЛРЩ) - 1шт.;
В состав ГЭУ входят:
- гребной электродвигателъ (ГЭД) - 1 шт.:
- силовые управляемые выпрямители (УВ)- 2 шт.;
- силовые согласующие трансформаторы (Тр- 2 шт.;
- реверсивные тиристорные возбудители (РТВ)- 3 шт.
- система управления и контроля ГЭУ (СУ ГЭУ)- 1 компл.;
- устройство контроля сопротивления изоляции- 2 шт.
Состав и технические характеристики основного оборудования ЭЭС с ГЭУ приведены в таблице8.2
Таблица 8.2 Состав и технические характеристики оборудования ЭЭС с ГЭУ
Технические характеристики
Продолжение таблицы 8.2
Схема соединения обмоток
звездазвездатреугольник
Мостовой тиристорный нереверсивный
Мостовой тиристорный реверсивный
Обслуживание одностороннее прислонного типа
Двухстороннее обслуживание
Номинальное напряжение
Обслуживание двухстороннее зона обслуживания не менее 800 мм
7.2 Обоснование и выбор структуры ЭЭС с ГЭУ
7.2.1 Характеристика ЭЭС с ГЭУ
Штатная электроэнергетическая установка (ЭЭУ) проекта МСТ представлена на рисунке 8.8. В ее состав входит:
- автономная ГЭУ постоянного тока;
- главная СЭС постоянного тока;
- вспомогательная СЭС переменного тока;
ГЭУ состоит из 2 ГЭД получающих питание от 4 ДГ постоянного тока. Установка построена по принципу генератор двигатель. В качестве возбудителей применяются электромашинные преобразователи.
Вспомогательная СЭС переменного тока предназначена для питания общесудовых приемников электроэнергии. В се состав входят:
- трансформаторы 380220 В- 3 шт.;
- трансформаторы 220127 В- 2 шт.
Главная СЭС постоянного тока предназначена для питания ГЭУ. В ее состав входят:
Аварийная СЭС переменного тока предназначена для питания наиболее ответственных общесудовых приемников электроэнергии в случае обесточивания ГРЩ. В ее состав входят:
- трансформаторы 380220 В- 1 шт.;
- трансформаторы 220127 - 1 шт.
Основным недостатком штатной ЭЭУ является использование в составе ГЭУ электрических машин постоянного тока что снижает надежность установки и повышает эксплуатационные расходы.
Для выбора оптимальною варианта структуры ЭЭС с ГЭУ были рассмотрены приведённые ниже структурные схемы ЭЭС с ГЭУ:
7.2.2 Характеристика вариантов структурных схем ЭЭС с ГЭУ
ЭЭУ с автономной ГЭУ двойного рода тока и вспомогательной СЭС Электроэнергетическая установка судна с автономной ГЭУ двойного рода тока и вспомогательной СЭС переменного тока представлена на рисунке 8.9.
- автономная ГЭУ двойного рода тока;
- главная СЭС переменного тока;
- неуправляемые выпрямители (НВ) - 2 шт.;
- реверсивные тиристорные возбудители (РТВ) - 3 шт.;
-силовые согласующие трансформаторы (Тр) - 2 шт.
Главная СЭС постоянного тока предназначена для питания ГЭУ. В ее состав входят:
Вспомогательная СЭС переменного тока предназначена для питания общесудовых приемников электроэнергии. В ее состав входят:
- трансформаторы 380220 В- 2 шт.
Регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется изменением величины напряжения ГДГ. Реверс ГЭД осуществляется изменения направления тока возбуждения с помощью РТВ. Для торможения ГЭД используется динамическое торможение.
Недостатком данной ЭЭУ является невозможность отбора мощности от ГДГ на ГРЩ для питания общесудовых электропотребителей и невозможность обеспечения аварийного хода судна при питании от ВДГ. Кроме того для возбуждения ГДГ необходимо применять управляемые тиристорные возбудители для регулирования напряжения генераторов в широком диапазоне.
Рисунок 8.9 – ЭЭУ с автономной ГЭУ двойного рода тока и вспомогательной СЭС
7.2.3 Единая ЭЭС с ГЭУ двойного рода тока и реверсивными выпрямителями в цепи
Электроэнергетическая установка судна с ГЭУ двойного рода тока реверсивными выпрямителями в якорной цепи и единой ЭЭС представлена на рисунке 8.10. В ее состав входит:
- ГЭУ двойного рода тока;
- главная СЭС переменного тока;
- реверсивные управляемые выпрямители (РУВ) - 2 шт.;
неуправляемые диодные возбудители (ДВ)- 3 шт.;
силовые согласующие трансформаторы- 2 шт.
Главная СЭС переменного тока предназначена для питания ГЭУ и общесудовых приемников электроэнергии. В ее состав входят:
- стояночный дизель-генератор (СДГ) - 1 шт.:
- трансформатор 380220 В- 1 шт.
Регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется с помощью РУВ. Реверс осуществляется изменения направления тока якоря ГЭД с помощью РУВ. При торможении используется рекуперативное торможение ГЭД при котором РУВ переводятся в режим ведомого инвертора.
Недостатком данной ЕЭЭУ является использование в силовой цепи ГЭУ реверсивного тиристорного выпрямителя что повышает массогабаритные характеристики и стоимость оборудования. Кроме того в связи с большой мощностью ГЭУ параллельная работа 4 ГДГ необходимая для обеспечения полного хода судна невозможна что требует разделение секций ГРЩ в данном эксплуатационном режиме.
Рисунок 8.10 - Единая ЭЭС с ГЭУ двойного рода тока и реверсивными выпрямителями в цепи главного тока
7.2.4 Единая ЭЭС с ГЭУ двойного рода тока и реверсивным возбудителем ГЭД Электроэнергетическая установка судна с ГЭУ двойного рода тока реверсивным возбудителем ГЭД и единой электроэнергетической системой представлена на рисунке8.11. В ее состав входит:
- ГЭУ двойного рода тока;
- управляемые выпрямители (УВ)- 2 шт.;
- силовые согласующие трансформаторы- 2 шт.
Главная СЭС переменного тока предназначена для питания ГЭУ и общесудовых приемников электроэнергии. В ее состав входят:
- стояночный дизель-генератор (СДГ) - 1 шт.;
В данной ГЭУ осуществляется двухзонное регулирование частоты вращения ГЭД с помощью УВ и РТВ ГЭД.
Реверс осуществляется изменения направления тока возбуждения ГЭД. При торможения ГЭД используется рекуперативное торможение при котором УВ переводятся в режим ведомого инвертора.
Недостатком данной ЕЭЭС является необходимость для обеспечения полного хода судна параллельной работы 4 ГДГ что в связи с большой мощностью ГЭУ осуществить невозможно. Это требует разделение секций ГРЩ в ходовых режимах эксплуатации.
7.2.5 ЭЭС с ГЭУ двойного рода тока реверсивным возбудителем ГЭД главной и
Электроэнергетическая установка судна с ГЭУ двойного рода тока реверсивным возбудителем ГЭД главной и вспомогательной СЭС приведена на рисунке 8.12. В ее состав входит:
- вспомогательная СЭС переменного тока;
Рисунок 8.11 - Единая ЭЭС с ГЭУ двойного рода тока и реверсивным возбудителем ГЭД
- реверсивные тиристорные возбудители (РТВ- 3 шт.;
- силовые согласующие трансформаторы- 2
Главная СЭС переменного тока предназначена для питания ГЭУ. В ее состав входят:
Вспомогательная СЭС переменного тока предназначена для питания общесудовых приемников электроэнергии. В ее состав входят:
Двухзонное регулирование частоты вращения ГЭД осуществляется с помощью УВ и РТВ ГЭД. Реверс осуществляется изменения направления тока возбуждения ГЭД. При торможения ГЭД используется рекуперативное или динамическое торможение.
При полном ходе судна ГДГ вырабатывают электроэнергию для питания ГЭД ВДГ -для питания общесудовых приемников электроэнергии. При работе ГЭУ на долевой нагрузке имеется возможность производить отбор мощности от ГДГ на шины ГРЩ для питания общесудовых приемников электроэнергии. В аварийном режиме при отказе ГДГ возможно обеспечить ход судна при питании ГЭД от вспомогательной СЭС.
Достоинством данного варианта является высокая надежность и экономичность
7.2.6 Сравнительный комплексный анализ всех рассмотренных типов ЭЭС с ГЭУ
применительно к проекту МСТ показал что с учетом технико-экономических надежностных массогабаритных показателей а так же опыта проектирования изготовления и эксплуатации предпочтение при выборе типа ЭЭУ следует отдать последнему варианту ЩЭД двойного рода тока реверсивным возбудителем ГЭД главной и вспомогательной СЭС.
Данный тип ЭЭУ выбран в качестве основного при разработке данного проекта.
Рисунок 8.12 – ЭЭС с ГЭУ двойного рода тока реверсивным возбудителем ГЭД главной и вспомогательной СЭС
7.3 Обоснование и выбор типа основных элементов ЭЭС и ГЭУ
7.3.1 Обоснование и выбор ГДГ
Тип генераторов и их мощность были определены проектантом судна. Вместе с ними при выборе параметров генераторов были учтены основные требования: - Допустимый уровень величины токов КЗ ; - Устойчивая работа во всех режимах работы; - Допустимый уровень искажений на шинах ГРЩ;
7.3.2 Выбор согласующих трансформаторов
Силовые трансформаторы ГЭУ. Согласно п.п.-17.3.1 и 17.9.1.2 Правил классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства (издание 2007г.) преобразователь частоты ГЭУ должен получать питание через согласующий трансформатор.
Трансформатор позволяет повысить качество электроэнергии на шинах щита электродвижения.
Применяемые в схеме ГЭУ согласующие трансформаторы для питания ГЭД выполнены трехмоточными. Первичная обмотка соединена "звездой" вторичные - "звезда - "треугольник
Применение трехобмоточных трансформаторов позволяет:
- согласовать по уровню напряжение питающей сети и гребного электродвигателя;
- реализовать эквивалентный двенадцатифазный режим работы выпрямителя.
Выполнение вторичных обмоток трансформатора соединением "звезда -"треугольник" позволяет компенсировать в магнитной системе трансформатора пятую и седьмую гармонические составляющие и тем самым улучшить качество напряжения на шинах ГРЩ трансформатор рассчитан на длительную работу при 110% номинального напряжения без насыщения магнитопровода.
Для данного проекта нами выбран трансформатор ТСЗП-3150 038049;049 ОМ4 ТУ3411-003-47969518-2004.
Пуск мощных приемников и преобразователей электроэнергии (асинхронный электропривод силовые трансформаторы) сопровождается большими токами которые носят прежде всего реактивный характер что приводит к провалу напряжения в судовой сети.
Прямой пуск трансформаторов ГЭУ от одного работающего ГДГ недопустим т.к. провалы напряжения при пуске от двух ГДГ могут превышать допустимые пределы.
Установка устройства мягкого пуска трансформатора необходима.
6.3.3 Обоснование и выбор управляемого выпрямителя для обмоток возбуждения ГЭД.
Статический управляемый выпрямитель предназначен для замены вращающегося электромашинного возбудителя мощностью 32 кВт. напряжением 220 В. с током нагрузки 150 Выпрямитель должен быть реверсивным. Система управления должна легко адаптироваться и обмениваться информацией с системой управления ГЭД и с КСУ ТС судна.
Учитывая что выпрямители для управления током якор_я__ГЭД выполнены на тиристорах с микропроцессорной системой управления предлагается реверсивный возбудитель выполнить по схеме со встречно-параллельным соединением двух выпрямительных мостов на тиристорах. Такие типы выпрямителей освоены отечественной промышленностью и с соответствующими доработками и испытаниями могут поставляться для нужд флота.
Микропроцессорные система управления реверсивного выпрямителя и выпрямителя для управления током якоря отличаются только программным обеспечением.
Однотипность оборудования облегчает эксплуатацию и повышает надежность работы всей системы СЭД. Предлагается в качестве возбудителя доработать испытать и применить выпрямитель тиристорный реверсивный ВТР 220150 (далее ВТР) с номинальным выходным напряжением 220 В и номинальным током 150 A.
ВТР состоит из двух включенных встречно-параллельно управляемых тиристорных выпрямителей УВ1 и УВ2 входного фильтра ВхФ датчиков напряжения переменного тока ДН1 - ДНЗ датчика постоянного тока ДТ1 датчика постоянного ряжения ДН4. двух блоков импульсных трансформаторов ИТ1. ИТ2 для управления тиристорами и микропроцессорной системы управления МПСУ с пультом управления клавиатурой и платой сигнализации (Выпрямитель тиристорный реверсивный ВТР-220150. Схема электрическая структурная ИУДШ.435411.001Э1).
Питание переменного тока оба ВТР получают от отдельного трансформатора (параметры и мощность трансформатора окончательно определяются на стадии рабочего проектирования).
МПСУ обеспечивает управление тиристорами автоматическое регулирование током и напряжении в соответствии с заданными алгоритмами а также защиту от аварийных ситуаций и связь с внешними системами.
7.3.4 Обоснование и выбор управляемого выпрямителя
Техническим заданием на модернизацию системы электродвижения проекта I «Яуза» автономная электростанция состоящая из четырех дизель-генераторов постоянного
тока заменяется дизель-генераторами переменного тока 380 В. 50 Гц аналогичной мощности. Гребной электродвигатель постоянного тока с двумя якорями 2МП-7000-110 при этом I остается прежним. Для обеспечения всех требуемых режимов гребной электрической установки ее необходимо укомплектовать двумя выпрямителями (по одному на каждый якорь двигателя).
Выпрямители на базе тиристоров обеспечивают простое и удобное регулирование выпрямленного напряжения в широких пределах обладают высокими энергетическими
характеристиками большой эксплуатационной надежностью имеют малые размеры.
Наличие современной микропроцессорной системы управления обеспечивает постоянный контроль параметров диагностику и связь с системами верхнего уровня.
Управляемые выпрямители освоены отечественной промышленностью и с соответствующими доработками и испытаниями могут поставляться для нужд флота.
Предлагается разработанный выпрямитель тиристорный статический ВТС-25001000 (далее ВТС) с номинальным выходным напряжением 1000 В и номинальным выходным током 2500 А.
ВТС состоит из двух трехфазных мостовых выпрямительных тиристорных блоков УВ1 и УВ2. соединенных последовательно для получения выходного постоянного напряжения равного 1000 В (Выпрямитель тиристорный статический ВТС-25001000. Схема электрическая структурная ИУДШ.435511.001 Э1).
Питание тиристорные мосты получают каждый от своей трехфазной обмотки трансформатора.
Входные фильтры ВхФ1 и ВхФ2 обеспечивают ограничение от перенапряжений со стороны питающей сети и коммутационных перенапряжений.
Микропроцессорная система управления выпрямителем МПСУ состоит из контроллера пульта управления с пленочной клавиатурой и платой сигнализации.
Контроллер включает в себя следующие основные функциональные системы: - систему импульсно-фазового управления (СИФУ);
- систему автоматического регулирования (САР) выходного тока и напряжения:
Измерение линейных напряжений на входе выпрямителя напряжения и осуществляется с помощью датчиков работающих на эффекте Холла.
7.3.5 Обоснование и выбор тормозных резисторов
Для поглощения энергии торможения гребного электродвигателя в звено постоянного тока УВ подключается блок резисторов торможения (БРТ). Включение резисторов осуществляется транзисторным ключом включённым последовательно с резистором.
Выбор резисторов был сделан с набором исходных данных приведённых в таблице8.3
Таблица 8.3 – Набор исходных данных
Наименование параметра
Номинальная мощность УВ
Номинальные обороты ротора
Момент инерции винта с приведенной массой воды
Принимая среднее время реверса винта при торможении с номинальных оборотов 8-12 секунд было рассчитано количество энергии выделяемой в резисторы торможения . среднее значение которого составляет примерно 500кВт.
Выбранные резисторы типа CFH 1100 фирмы «Tyco» имеют следующие параметры :
Таблица 8.4 – Параметры резисторов типа CFH 1100 фирмы «Tyco»
Максимальная мощность
Поглощаемая энергия при 250 0 С
Поглощаемая энергия при 5 сек перегрузке
Максимально допустимое напряжение
Окончательно количество резисторов типа CFH 1100 будет выбрано на этапе рабочего проекта.
7.4 Разработка системы управления и регулирования ГЭУ
7.4.1 Требования к механическим характеристикам ГЭУ судов ледового плавания Механические характеристики ГЭУ должны обеспечивать отсутствие «заклиниваний»
гребного винта при его взаимодействии со льдом. И основном диапазоне нагрузок должны
реализовываться гиперболы постоянства мощности (рисунок 8.13).
Рисунок 8.13 - Характеристика гребного винта и механические характеристик ГЭУ
В характеристиках должны быть предусмотрены участки ограничений момента и частоты вращения. Аналогичные характеристики должны также реализовываться в третьем квадранте при заднем ходе судна.
Тормозной момент (Мт) при реверсе должен превышать движущий момент гребного винта работающего в режиме гидротурбины при полной скорости хода судна. Вид тормозной характеристики уточняется при моделировании системы.
На первых положениях поста управления должно быть обеспечено поддержание постоянства частоты вращения (напряжения на якоре или противо-ЭДС ГЭД) в диапазоне нагрузок до располагаемой мощности с целью предотвращения «заклиниваний» гребного винта при малых уровнях мощности и надёжного страгивания ГЭД на первых положениях поста управления. Зависимость заданной постом управления мощности от его положения должна иметь вид. представленный на рисунке 8.14.
Рисунок 8.14 - Положение поста управления ГЭУ
На основных участках механической характеристики могут быть реализованы зависимостями кубической (ход в «свободной» воде) и в степени 32(ход во льдах). При этом будет обеспечено равномерное приращение частоты вращения (скорости хода судна) по положениям поста управления (при кубической зависимости) или равномерное приращение упора при ходе во льдах.
Механические характеристики ГЭУ в данном случае должны иметь вид представленный на рисунке 8.15.
Рисунок 8.15 - Требуемые механические характеристики ГЭУ
7.4.2 Требования к маневренным режимам
В швартовном режиме должно быть обеспечено время реверса гребного винта в
диапазоне 5 7 сек. Под временем реверса понимается время между началом перекладки
рукоятки поста управления и переходом частоты вращения через нулевое значение.
При реверсе на «свободной» воде при полной скорости хода судна время реверса не
должно превышать 20 25 сек.
ГЭУ должна обеспечить возможность непрерывного реверсирования с интенсивностью 5
ревчас равномерно распределённых без ограничения во времени.
ГЭУ должна нормально работать при любой скорости перекладки рукоятки поста управления.
Необходимо выполнить требование Правил РМРС 2007 года о сохранении мощности на гребном валу при отказе любого компонента ГЭУ.
7.4.3 Требования к защите ГЭУ
В схеме ГЭУ должны быть предусмотрены следующие защиты:
- от сверхтока в главной цепи любого направления с уставкой 2.5 Iя ном воздействующая на автоматический выключатель в цепи главного тока;
- от перенапряжения на якоре ГЭД с уставкой 115%;
- от протекания тока главной цепи более 140 150% от номинального в течении 1 минуты (стоянка под током) с предупредительной сигнализацией через 30 сек.;
- от превышения тока возбуждения ГЭД более 150% относительно номинального швартовного режима;
- при перегорании предохранителей преобразователя и возбудителя;
- от обратной мощности главных дизелей с регулируемой уставкой 2.. .6 %;
- от снижения частоты вращения главного дизеля на 10-15%;
- от понижения сопротивления изоляции цепи главного тока;
- от отключения автомата возбудителя ГЭД:
- от остановки вентиляторов охлаждающих оборудование ГЭУ.
Все защиты должны снимать сигналы управления возбудителя ГЭД и преобразователя цепи главного тока а также при необходимости отключать автомат преобразователя.
В схеме ГЭУ должны быть предусмотрены блокировки не допускающие подачу
сигналов управления на преобразователи цепи главного тока и возбудители или снимающие
сигналы управления при отличном от нулевого положения поста управления выбранного
типа управления при включении валоповоротного устройства при открытии дверей щита электродвижения при изменении места управления во время работы ГЭУ при переводе избирательного переключателя на ручное управление.
7.4.4 Требования к системе регулирования ГЭУ
Система регулирования должна обеспечивать точность поддержания мощности в статических режимах не менее 2% от заданного ограничения мощности запас устойчивости во всех режимах плавный пуск ГЭД за время не более 10 сек.
В схеме должен быть предусмотрен корректор мощности с диапазоном регулирования - 10% от заданного ограничения мощности.
В соответствии с правилами РМРС система управления должна включать в себя главный пост управления (в ЦПУ или ходовой рубке) и местный пост управления расположенный вблизи преобразователей. Местный пост управления является доминирующим.
7.4.5 Требования к системе возбуждения.
Система возбуждения должна включать в себя два основных реверсивных тиристорных возбудителя ГЭД и один резервный.
Возбудители должны обеспечивать 2-х кратную форсировку по напряжению и 15
Для обеспечения надёжного запуска тиристорных возбудителей и ограничения перенапряжений на обмотке возбуждения в цепи обмоток возбуждения должны быть подключены штатные разрядные сопротивления.
Возбудители подключаются к обмоткам возбуждения без защитной коммутационной аппаратуры.
Подключение возбудителей к шинам ЩЭД должно осуществляться через трансформаторы.
Подача питания на силовые цепи возбудителей и преобразователей должна осуществляться после подачи питания на системы управления.
7.4.6 Регулирование тока якоря ГЭД
Схема системы регулирования тока якоря ГЭД приведена на рисунке 8.16.
Регулирование тока якоря ГЭД осуществляется с помощью ПИ-регулятора 9b (PT). Данный регулятор выполняет сравнение заданного и фактического значений тока последнее из которых зависит от количества работающих главных дизель-генераторов и режима работы шин главного распределительного устройства (ГРУ). В результате сравнения формируется напряжение управления СИФУ 21а управляемого выпрямителя 2а цепи главного тока. Кроме того на регулятор 9b заведён сигнал обеспечивающий инверторный режим выпрямителя 2а при отключении автоматического выключателя АВ. подводящего силовое питание к возбудителю данного якоря ГЭД.
Заданное значение тока якоря поступающее на вход регулятора 9b формируется избирателем минимального значения 10b на выход которого поступает минимальный из его входных сигналов. Основным входным сигналом избирателя 10b является сигнал поступающий с выхода логического переключающего устройства 15d. Осуществляющего переключение режима работы регулятора с закона p=const на закон n=const.
Остальные входные сигналы вводят следующие ограничения в заданное значение тока - ограничение с пульта вахтенного электромеханика (механика) (потенциометр 19b);
- ограничение при снижении частоты на секции шин ГРУ подключённых к данному якорю ГЭД более чем на 5% (уточняется при моделировании и настройке) (усилитель 12а):
- ограничение при повышении напряжения на якоре ГЭД по гиперболической зависимости с ограничением максимального напряжения и тока стоянки (последнее с возможностью регулирования) (функциональный преобразователь 29г.
- ограничение тока при перегорании одного предохранителя параллельно включённых тиристоров выпрямительного устройства цепи главного тока (при необходимости).
Фактическое значение тока якоря формируется с помощью датчика тока якоря 41. преобразователя 23 и множительного устройства 17с. На второй вход множительного устройства 17с поступает сигнал зависящий от количества подключённых главных дизель-генераторов и режима работы шин ГРУ. снимаемый с выхода логического устройства 15g. коэффициенты соответствующие количеству работающих дизелей рассчитываются исходя из режима работы гребного винта в швартовном режиме.
Рисунок 8.16 - Функциональная схема регулирования тока якоря ГЭД
7.4.7 Регулирование мощности и частоты вращения ГЭД
Схема системы регулирования мощности и частоты вращения приведена на рисунке8.17.
Задание мощности осуществляется задатчиком мощности 3. Выбор типа задатчика мощности осуществляется в процессе проектирования. Выход задатчика 3 соединен со входом Преобразователя 4 осуществляющего преобразование угла и направления перекладки рукоятки поста управления в двухполярный сигнал постоянного напряжения.
Выходной сигнал преобразователя 4 поступает через блок 6а формирования абсолютного значения сигнала на функциональный преобразователь 5а формирующий закон примерно равномерного приращения скорости хода судна при перекладке рукоятки поста управления на одно Деление. В данный преобразователь можно также заложить закон иррадирования равномерного приращения упора пробного винта на одно деление поста управления или оба закона.
Кроме того выходной сигнал преобразователя 4 поступает на компаратор 14а Нормирующий логический сигнал ±ПУ направления перекладки поста управления.
С выхода преобразователя 5а промежуточный сигнал заданной мощности Р'з поступает на вход задатчика интенсивности 7с осуществляющего интегрирование входного сигнала с ограничением выходного сигнала на уровне входного. Постоянная времени интегрирования при взрастании входного сигнала должна регулироваться настроечным потенциометром 25s в пределах от 5 до 15 сек. При уменьшении входного сигнала Р'з задатчика интенсивности 7с постоянная времени интегрирования должна быть равной 0.1 сек. Уровень сигнала Р'з при настройке ГЭУ корректируется потенциометром 25а.
Рисунок 8.17 - Функциональная схема регулирования мощности ГЭД
На период реверса гребного винта выходные напряжение задатчика интенсивности 7с обнуляется с помощью «ключа» 8а управляемого блоком логики 15а. Ключ 8а замкнут при несоответствии между направлением перекладки поста управления и направлением вращения ГЭД (при динамическом торможении) либо при несоответствии между направлением перекладки поста управления и направлением тока возбуждения ГЭД (при рекуперативном торможении).
На выходе задатчика интенсивности формируется сигнал заданной мощности Рз. подаваемый на один из входов ПИД- регулятора мощности РМ 9а.
Сигнал фактического значения мощности Рф формируется на выходе согласующего усилителя 5в. настройка коэффициента усиления которого осуществляется потенциометром 25d. На вход усилителя 5b поступает промежуточный сигнал фактической мощности Р'ф с выхода множителя 17а. На входы множителя 17а поступают сигналы Uя и Iя принципы формирования которых рассмотрены в первом разделе «Регулирование тока якоря».
Выходной сигнал регулятора мощности 9а через ключ 15d поступает на вход избирателя минимального значения сигнала 10b приведенного в схеме регулятора тока.
Сигнал заданного значения противо-ЭДС ГЭД Ез формируется на функциональном преобразователе 5d. реализующем зависимость Ез= Рз^ 1з.
На вход преобразователя 3d поступает выходной сигнал задатчика интенсивности 7с
Заданные значения противо-ЭДС Ез поступает на один из входов ПИД-регулятора частоты вращения ГЭД (РЧВ). (блок 9d). где сравнивается с фактическим значением противо-ЭДС которое рассчитывается по фактическим значениям тока и напряжения U'яф и I'яф. снимаемым с множителей 17b и 17с.
Выходной сигнал регулятора частоты вращения 9d через ключ 15"d поступает на вход избирателя минимального значения сигнала 10b приведенного в схеме регулятора тока.
Управление ключами логического переключающего устройства 15 осуществляется входными сигналами УК1 и УК2 логического устройства 15е. Сигналы УК] и УК2 связаны зависимостью . Сигнал УК=1 при положениях рукоятки поста управления от 1 до 7(8) переднего и заднего хода. В других положениях рукоятки УК 1=0. УК2=1.
7.4.8 Регулирование тока возбуждения ГЭД
Схема системы регулирования тока возбуждения ГЭД приведена на рис8.18. Начальный сигнал заданного значения тока возбуждения ГЭД. соответствующий значению тока при ходе судна на «свободной» воде с номинальной скоростью задается источником опорного напряжения 18 и потенциометром 25к. Данный сигнал поступает на один из входов усилителя 5d на второй вход которого подключен выход усилителя 5с. На входы усилителя 5с поступают сигналы Iяф - фактическое значение тока якоря и опорный сигнал с потенциометра 25j. Опорный сигнал соответствует номинальному значению тока якоря. При превышении током якоря номинального значения на выходе усилетеля 5с формируется сигнал на увеличение заданного значения тока возбуждения ГЭД.
Выходной сигнал усилителя 5d поступает на один из входов избирателя минимального значения 10с. На остальные входы избирателя Юс поступают сигналы обеспечивающие регулирование тока возбуждения ГЭД во время реверса. На выходе усилителя 6а формируется сигнал уменьшающий ток возбуждения ГЭД в режиме динамического или рекуперативного торможения в функции отрицательного напряжения на якоре ГЭД. Начало действия этой связи распределяется потенциометром 25n. Усилитель бе формирует сигнал для уменьшения тока возбуждения ГЭД при повышении частоты на шинах ГРУ при рекуперативном торможении выше уставки определяемой потенциометром 25m. Выходной сигнал интегратора 7с обеспечивает уменьшение до нуля заданного значения тока возбуждения ГЭД в первоначальный период реверса с момента перехода рукоятки поста управления через нулевое положение до момента уменьшения до нуля выходного напряжения возбудителя. При переходе через нуль выходного сигнала компаратора 14с логический блок 15а вновь отключает ключ 8а и интегратор 7с восстанавливает свое первоначальное выходное напряжение.
Промежуточное значение заданного тока возбуждения ГЭД I'вдз с выхода избирателя 10с поступает на входы ключа 8с на выходе которого формируется двухполярный сигнал заданного значения тока Iвдз поступающий на входы ПИД-регуляторов тока возбуждения РТВ1 и РТВ2. Выходы регуляторов РТВ1 и РТВ2 подключены соответственно ко входам СИФУ комплектов «вперед» и «назад» возбудителя ГЭД.
Ключ 8с управляется логическим устройством 15f. При нулевом положение поста управления и нулевом значении тока возбуждения ключ 8с должен находиться в нейтральном положении. При перекладке поста управления в любое отличное от нуля положение ключ должен замыкаться формируя на выходе напряжение полярность которого зависит от направления перекладки поста управления. При реверсе переключение ключа 8с должно происходить после уменьшения до нуля тока возбуждения ГЭД (компаратор 14d). В формировании алгоритмов управления ключом 8с может быть задействован выходной сигнал компаратора 14с. определяющий напряжение возбуждения.
На выходах регуляторов РТВ1 и РТВ2 сравниваются сигналы заданного и фактического значений токов возбуждения и на выходах формируют сигналы управления СИФУ комплектов возбудителя.
7.4.9 Ограничение мощности ГЭУ в зависимости от количества работающих ГДГ
Ограничение вводится за счёт умножения на коэффициенты фактических значений напряжения и тока якорной цепи (множители 17b и 17с). Величины коэффициентов приведены в таблице 8.5
Таблица 8.5 - Величины коэффициентов
Количество генераторов работающих параллельно
Коэффициенты К1 К6 вводятся при наличии отбора мощности из расчёта значения величины отбора мощности на собственные нужды. Гак при наличии отбора мощности в 5% от полной мощности ГЭУ коэффициент определяется из выражения К=.
Для режима аварийного хода при питании ГЭД от ГРЩ необходимо рассчитать полную мощность аварийного хода и далее коэффициенты КU и КI.
7.4.10 Передаточные функции регуляторов и коэффициенты обратных связей.
Передаточные функции регуляторов рассчитываются по инженерным формулам теории подчиненного регулирования после выбора вида оптимума (технического модульного или симметричного) и проверяются при математическом моделировании.
Коэффициенты обратных связей определяются при математическом моделировании с влечением точности регулирования не менее 1% и обеспечением запаса необходимого запаса устойчивости (возможности увеличения коэффициента в 2 раза без потери устойчивости).
Постоянная времени задатчика интенсивности принимается равной 5 с. при возрастании родного сигнала с возможностью регулирования. При снижении входного сигнала постоянная времени должна быть равна 0.1 с.
Постоянная времени интегратора заданного значения тока возбуждения ГЭД при реверсе равняется 0.5 с.
7.4.11 Характеристики компараторов
На выходе компаратора 14а при нулевом положении поста управления должен формироваться нулевой сигнал. При первом и последующих положениях переднего хода на выходе должна быть логический сигнал +1 заднего -1. При аналоговом задатчике мощности переключения должны формироваться до достижения первого положения (примерно 075. Данные закономерности обусловлены необходимостью предварительного возбуждения ГЭД до появления сигнала на задание мощности. Последнее условие обеспечивается характеристикой функционального преобразователя 5а. выходной сигнал которого должен появляться только после прохождения рукояткой поста управления первого положения.
Компаратор 14b при положительном направлении вращения ГЭД должен формировать положительный логический сигнал. При снижении частоты вращения до 01 от номинальной компаратор должен переключаться на отрицательное значение обеспечивая заключительную стадию реверса. Аналогичным образом должны осуществляться переключения при заднем ходе судна. Уставка переключения должна быть уточнена при моделировании и должна быть настраиваемой. Характеристика должна быть уточнена в зависимости от выбора режима торможения (динамическое или рекуперативное).
Компараторы 14с и 14d должны иметь характеристику аналогичную характеристике компаратора 14b с уставкой переключения 002. Уставки переключения должны быть уточнены при моделировании и должны быть настраиваемые.
Характеристики компараторов 14с и 14d уточняются в зависимости от выбранного способа управления реверсивным преобразователем.
8 ГЭУ морского буксира с единой электроэнергетической системой (ЕЭЭС)
8.1 Назначение варианты силовой структуры
ГЭУ предназначена для обеспечение движения судна и реализации следующих ходовых режимов:
а) буксировка судна;
г) режим маневрирования.
Областью применения являются буксиры и спасательные суда.
а) ГЭУ должна быть работоспособна при отказе одного генератора гребного электродвигателя или статического преобразователя частоты;
б) в установившихся длительных режимах эксплуатации судна нагрузка главных дизелей должна быть не менее 50% от номинальной;
в) качество электроэнергии в судовой сети должно соответствовать требованиям Правил Российского Морского Регистра судоходства.
Указанные требования могут быть реализованы при применении принципа единой электроэнергетической системы с ГЭУ (ЕЭЭС с ГЭУ).
Ниже рассматриваются несколько вариантов структурных схемЕЭЭС с ГЭУ буксира.
На рисунке 8.19 представлен вариант структурной схемы ЕЭЭС с ГЭУ с общим входом питания преобразователя частоты (ПЧ).
Схема содержит СЭС в состав которой входят три главных дизель-генератора по 1500 кВт каждый (G1-G3) стояночный генератор мощностью 200 кВт (G4) и аварийный генератор (АГ) мощностью 100 кВт.
В схеме электростанции предусмотрена возможность питания с берега от щита берегового питания (ЩПБ).
Источники электроэнергии подключены к ГРЩ. От ГРЩ получают питание два трёхобмоточных трансформатора (TV1 TV2) вторичные обмотки которых подключены к неуправляемым выпрямителям преобразователей частоты (ПЧ ПЧ2). .
Установка в системе ЕЭЭС двух трёхобмоточных трансформаторов повышает напряжение силовой цепи и позволяет реализовать на входе неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты эквивалентный двенадцатипульсный режим что позволяет компенсировать в магнитной системе трансформатора пятую и седьмую гармонику тока. Одновременно уменьшается коэффициент несинусоидальных искажений напряжения на шинах ГРЩ.
Для заряда конденсаторных батарей ПЧ1 и ПЧ2 предусмотрены зарядные устройства (ЗУ1 ЗУ2). Одновременно зарядные устройства выполняют функцию плавного включения трансформаторов TV1 и TV2 с ограничением пускового тока.
Преобразователи частоты реализованы на базе автономного инвертора напряжения и неуправляемых выпрямителей.
Выходное трёхфазное напряжение инвертора изменяется в пределах от 0 до 960 В частота - от 0 до 50 Гц.
В качестве ГЭД используются два асинхронных гребных электродвигателя ГЭД1 и ГЭД2 с линейным напряжением 960 В. ГЭД выполнены с двумя статорными обмотками сдвинутыми относительно друг друга на 30 эл. градусов что позволяет в магнитном потоке статора компенсировать пятую и седьмую гармоники.
Одним из достоинств многофазного ГЭД является более высокая надежность лучшие виброшумовые характеристики особенно в зоне малых частот что связано с уменьшением пульсаций электромагнитного момента. Дробление электрической мощности по фазам делает регулировочные характеристики ГЭД менее критичными к асимметрии по амплитуде и фазе питающего напряжения что с увеличением числа фаз в конечном итоге упрощает систему управления и повышает надежность ГЭУ.
На шины ГРЩ непосредственно подключены два устройства для пуска пожарных насосов мощностью по 650 кВт каждый и статический преобразователь частоты для подруливающего устройства мощностью 200 кВт.
Для управления всеми техническими средствами судна используется комплексная автоматизированная система управления которая содержит три подсистемы:
а) интегрированная система управления электроэнергетической системой (ИСУ ЭЭС);
а) интегрированная система управления ГЭУ (ИСУ ГЭУ);
б) интегрированная система управления техническими средствами судна (ИСУ ТС).
Недостатком данной структуры является отсутствие гальванической развязки входов питания выпрямителей ПЧ. Это может привести к колебаниям энергии между группами выпрямителей.
На рисунке 8.20 представлен второй вариант структурной схемы ЕЭЭС с ГЭУ с объединением емкостей групп ПЧ.
Основным отличием данного варианта от предыдущего является объединение конденсаторных групп ПЧ. Это приводит к выравниванию потенциалов емкостей на выходе выпрямителей и к уменьшению колебаний обмена энергией между группами выпрямителей ПЧ.
Недостатком структуры остается наличие колебаний электроэнергии между группами выпрямителей.
На рисунке 8.21 представлен третий вариант структурной схемы ЕЭЭС с ГЭУ с гальванической развязкой входов питания выпрямителей ПЧ.
В качестве развязывающих элементов устанавливаются реакторы со средней точкой.
Недостатком данного варианта является необходимость установки дополнительных реакторов на полный ток потребляемый ГЭД.
На рисунке 8.22 представлена структурная схема ЕЭЭС с ГЭУ с увеличенной мощностью входных выпрямителей ПЧ .
В данной схеме колебания энергии между группами мостов отсутствуют. От общих шин в звене постоянного тока питаются четыре инвертора. Однако увеличение мощности выпрямителей приводит к необходимости включения в параллель входных диодов и установки индуктивных делителей.
На рисунке 8.23 представлена структурная схема ЕЭЭС с ГЭУ с гальванически развязанными каналами управления ГЭД.
В данной схеме существуют четыре независимые каналы управления ГЭД что увеличивают надёжность схемы ГЭУ при этом обмен энергии между каналами и соответственно колебания энергии отсутствуют.
Таблица 8.6 – Массогабаритные показатели силовых трансформаторов
Параметры трансформаторов
Вес одного трасформатора кг
Общий вес трансформаторов кг
Размеры одного трансформатора (LBH) мм
Объем одного трансформатора м3
Общий объём трансформаторов м3
Из сравнения следует что массогабаритные характеристики двух трансформаторов мощностью по 2500 кВА и четырёх трансформаторов по 1250 кВА практически одинаковы
На рисунке 8.24 представлена структурная схема ЕЭЭС с ГЭУ с гальванически развязанными каналами управления ГЭД и возможностью использования ПЧ для питания пожарных насосов.
Данная схема предусматривает использование преобразователя частоты для:
а) питания ГЭД в «швартовом режиме»;
б) питания ГЭД и электродвигателей пожарных насосов при работе на долевых нагрузках.
В режиме тушения пожара мощность на винтах каждой колонки составляет 450 кВт мощность одного из четырёх каналов ПЧ составляет 1000 кВт. Отключив один из каналов питания ГЭД можно подключить выходы преобразователей частоты к асинхронным электродвигателям пожарных насосов (АД1 и АД2). При этом остается запитана одна из статорных обмоток ГЭД1 и ГЭД2.
Преимущество данной схемы по сравнению со схемой представленной на рисунке 8.23 состоит в том что не требуется установки отдельного пускового устройства для двигателей пожарных насосов. Следует отметить что такой вариант потребует применения электродвигателя пожарного насоса напряжением 960 В.
Таким образом для дальнейшей разработки принимается вариант структуры изображённой на рисунке 8.24.
8.2 Выбор гребного электродвигателя
В качестве ГЭД входящих в состав ГЭУ могут быть использованы следующие типы электродвигателей:
)синхронный электродвигатель с электромагнитным возбуждением;
) бесщеточный синхронный электродвигатель с электромагнитным возбуждением;
) синхронный электродвигатель с возбуждением на постоянных магнитах;
) вентильный индукторный электродвигатель;
) асинхронный электродвигатель.
Ниже проводится сравнительный анализ указанных электродвигателей.
Синхронный ГЭД с электромагнитным возбуждением.
Синхронные электрические машины (ЭМ) состоят из якорной обмотки переменного тока расположенной на статоре и обмотке возбуждения расположенной на роторе.
Для питания обмотки возбуждения применяется управляемый выпрямитель что несколько увеличивает габариты и массу ГЭД незначительно снижает надежность. Однако ток в обмотке возбуждения как правило не превышает по величине 2-3% от тока якорной цепи поэтому мощность системы возбуждения сравнительно небольшая. КПД среднеоборотных ЭМ мощностью порядка 2000-3000 кВт составляет около 92-95%.
Достоинством ГЭД синхронного типа по сравнению с асинхронного машинами являются:
а) меньшие массы и габариты на мощностях более 1000 кВт (несмотря на наличие системы возбуждения);
б) более высокий КПД;
в) лучшие вибро – шумовые характеристики;
г) сравнительно большой воздушной зазор что весьма важно при использовании ЭМ в составе ГЭУ.
К положительным качествам синхронных ЭМ следует также отнести возможность работать с коэффициентом мощности равным 1 т.е. не потребляя реактивный ток из питающей сети. В этом случае через преобразователь протекает только активный ток что снижает токовую нагрузку полупроводниковых ключей.
Важным преимуществом синхронного двигателя является наличие большого воздушного зазора облегчающего сборку машин и допускающего значительную просадку вала в подшипниках.Однако с цельюулучшенияиспользованиясинхронногодвигателяи повышения экономичности воздушный зазор должен выбираться минимально возможным исходя из условий механической надежности. При этом величина воздушного зазора не влияет на перегрузочную способность двигателя.
При использовании синхронных ГЭД величину подводимого напряжения необходимо менять в том же диапазоне что и момент.
Системы автоматического регулирования синхронного электропривода по своим статическим и динамическим характеристикам не уступают лучшим образцам тиристорного электропривода постоянного тока.
Необходимо отметить что при использовании ГЭД синхронного типа преобразователь частоты может быть выполнен на базе ведомого инвертора с однооперационными тиристорами что позволит значительно снизить стоимость преобразователя но ухудшить качество напряжения питающей сети.
Среди недостатков присущих синхронным машинам следует отметить наличие системы возбуждения с контактными кольцами и щетками. Наличие вращающегося контакта приводит к следующим негативным последствиям:
а) повышенное количество отказов и как следствие снижение надежности;
б) дополнительные механические и электрические потери снижение к.п.д.;
в) повышенные расходы на техническое обслуживание;
г) пониженная пожаробезопасность;
д) пониженный срок эксплуатации ЭМ;
е) наличие радиопомех.
Бесщеточный синхронный ГЭД с электромагнитным возбуждением
Частично устранить недостатки СМ с электромагнитным возбуждением возможно путем применения бесконтактной системы возбуждения с вращающимся выпрямителем.
Конструкция данной ЭМ состоит из якорной обмотки расположенной на статоре и обмотки возбуждения – на роторе аналогично традиционной ЭМ. Отличие заключается в том что обмотка возбуждения получает питание через вращающийся выпрямитель от возбудителя. В качестве возбудителя может применяться:
а) вращающийся трансформатор;
б) асинхронный генератор;
в) синхронный генератор.
Вращающийся трансформатор содержит на статоре первичную а на роторе – вторичную обмотку. Все процессы во вращающемся трансформаторе протекают аналогично обычному трансформатору. Отличие заключается в ослаблении индуктивной связи между первичной и вторичной обмотками из-за дополнительного воздушного зазора в магнитопроводе.
Достоинством вращающихся трансформаторов является независимость процессов трансформации энергии от частоты вращения ротора что позволяет использовать их для возбуждения мощных в том числе и малооборотных ЭД питаемых от преобразователей частоты.
Среди недостатков прежде всего следует отметить повышенные массу и габариты трансформатора что связано с необходимостью проектирования его на полную мощность системы возбуждения так как трансформатор обеспечивает лишь электромагнитную передачу энергии от первичной обмотки во вторичную.
К достоинствам асинхронного возбудителя следует отнести простоту конструкции малую электромагнитную постоянную времени. Последнее повышает быстродействие системы возбуждения.
Наибольшее распространение нашли бесщеточные СМ с синхронным возбудителем.
Синхронный возбудитель представляет собой обратимый синхронный генератор обмотка возбуждения которого располагается на статоре а якорная обмотка – на роторе. Как и обычный синхронный генератор синхронный возбудитель является усилителем электрической мощности при этом мощность обмотки возбуждения расположенной на статоре составляет не более 4-8% от мощности якорной обмотки которая равна мощности обмотки возбуждения ГЭД. Таким образом ГЭД с синхронным возбудителем имеет минимальную мощность цепи управления магнитным потоком что является одним из основных достоинств машин данного типа.
Кроме того синхронные возбудители обладаютминимальной массой и габаритами высоким КПД.
Среди недостатков следует отметить несколько повышенную постоянную времени цепи возбуждения а следовательно более высокую инерционность системы регулирования магнитного потока.
К достоинствам бесщеточных СМ в связи с отсутствием вращающего контакта следует отнести:
а) высокая надежность;
б) минимальные затраты на техническое обслуживание;
Среди недостатков следует отметить что использование возбудителя повышает стоимость оборудования и несколько снижает быстродействие системы возбуждения так как увеличивается электромагнитная постоянная времени и инерционность системы регулирования.
Синхронный ГЭД на постоянных магнитах.
В СМ на постоянных магнитах возбуждение осуществляется за счет высококачественных магнитов расположенных на роторе двигателя и заменяющих обычную систему возбуждения с кольцами и щетками. По массогабаритным и энергетическим показателям постоянные магниты на основе редкоземельных материалов превосходят электромагниты.
Статор СМ на постоянных магнитах имеет практически аналогичную конструкцию что и традиционные СМ. Основное отличие состоит в конструкции ротора. При конструировании ротора необходимо решать ряд проблем связанных с низкой механической прочностью защитой от внешних размагничивающих воздействий в том числе при возникновении к.з. искажением магнитного поля машины что обусловлено способностью ротора намагничиваться поперечной реакцией якоря.
Ротор таких машин является “холодным” в связи с тем что на нем нет обмотки возбуждения и следовательно не выделяется тепло. Отсутствует система возбуждения с полупроводниковым возбудителем а также вентиляционные каналы и вентиляторные лопасти.
Главным преимуществом ГЭД с постоянными магнитами является более высокий КПД который превышает 95% поскольку устраняются тепловые потери в системе возбуждения. Присутствуют небольшие потери на вихревые токи на поверхности ротора из-за явления взаимоиндукции при этом величина потерь зависит от нагрузки на двигателе.
Использование ГЭД с возбуждением от постоянных магнитов позволяет снизить массогабаритные показатели повысить надежность и КПД. Уменьшаются затраты на техническое обслуживание. Однако ЭМ данного типа присущ ряд недостатков среди которых следует отметить: более высокие пульсации магнитного момента а следовательно повышенный уровень вибрации и шума возникновение явления “залипания” ротора пониженная пожаробезопасность в связи с невозможностью осуществить гашение поля в случае возникновения к.з.
В таком двигателе магнитный поток постоянен во времени и ГЭД работает как синхронная машина с недовозбуждением что накладывает некоторые ограничения на полупроводниковый преобразователь. В случае возникновения КЗ в двигателе ток не превышает номинальную величину благодаря чему обеспечивается хорошая защита от аварийного режима. В то же время в случае исчезновения питания вращающийся двигатель переходит в генераторный режим что необходимо учитывать при построении защиты.
СД на постоянных магнитах менее чувствительны к действию реакции якоря однако в связи с невозможностью регулировать величину магнитного потока регулировочные свойства несколько хуже.
К недостаткам СД на постоянных магнитах следует также отнести невозможность форсировки возбуждения поэтому в случае применения данных ЭМ для работы в динамических режимах с переменной нагрузкой мощность их приходится увеличивать. Для повышения к.п.д. воздушный зазор должен быть минимален.
Вентильный индукторный электродвигатель.
Принцип действия вентильного индукторного двигателя (ВИД) – притяжение пассивного полюса ротора к возбужденному полюса статора. По сути работу ВИД можно охарактеризовать как поочередное последовательное включение электромагнитов якорями у которых являются зубцы ротора. Возбуждение фазы вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами ротора и статора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая оказывается в рассогласованном положении и подготовленной к включению.
Основные отличия ВИД от традиционных электродвигателей заключаются в следующем:
а) ВИД не является синхронной машиной так как скорость вращения ротора не равна скорости перемещения магнитного поля в пространстве;
б) электромагнитный момент носит реактивный характер основанный на явлении втягивания ферромагнитного сердечника в магнитное поле катушки с током;
в) дискретность работы – в любой момент времени за исключением моментов перекоммутации включена только одна фаза;
г) алгоритм управления ВИД является определяющим фактором работы машины в целом. К настоящему времени для данного типа машин разрабатываются основы теории проверяются экспериментально основныесоотношенияизначения параметров разрабатываются методы проектирования.
Существенным достоинством данных машин является:
а) простота конструкции;
в)минимальные расходы на техническую эксплуатацию что прежде всего связано с отсутствием системы возбуждения и вращающихся контактов
г)сравнительно низкая стоимость.
Однако данным ЭМ присущ и ряд недостатков. Так с целью повышения к.п.д. воздушный зазор между статором и ротором должен быть минимальным что с точки зрения надежности эксплуатации в составе ГЭУ является существенным недостатком. Асинхронные машины возбуждаются реактивным током поступающим по якорной обмотке при этом ток возбуждения может достигать 20-40% от тока нагрузки двигателя.
Современные ГЭД асинхронного типа при мощности до 3000-5000 кВА являются конкурентно способными перечисленным выше типам электрических машин.
В целом асинхронные машины являются наиболее простыми и дешевыми электрическими машинами .отсутствие вращающихся контактов повышает электро- и пожаробезопасность и снижает расходы на техническую эксплуатацию.
Исходя из изложенных выше обоснований в качестве ГЭД в данном проекте принята асинхронная машина.
ГЭД с двумя трехфазными обмотками.
В асинхронном электродвигателе помимо механических составляющих шумы и вибрации обусловлены магнитными силами изменяющимися во времени и пространстве и являющимися функцией конфигурации магнитного поля в воздушном зазоре машины. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором – это радиальные магнитные силы действующие между статором и ротором а также переменные составляющие момента на его валу возникающие вследствие несинусоидальных фазных напряжений и токов при питании от преобразователя частоты.
Традиционный подход к улучшению конфигурации поля на основе минимизации обмоточных коэффициентов для высших пространственных гармоник не позволяет достичь их полного устранения и кроме того ухудшает использование активных материалов машины.
Эффективным способом улучшения спектрального состава поля в зазоре АД является переход на исполнение его стандартной обмотки с увеличенным числом фаз m>3 что не вызывает технических проблем при использовании автономного инвертора. Увеличение числа фаз приводит к уменьшению амплитуды пульсаций момента по закону близкому к гиперболическому.
Величина пульсаций вращающегося электромагнитного момента обратно пропорциональна количеству обмоток. Поэтому один из способов снижения вибраций является увеличение числа обмоток путем применения электрических машин с двумя трехфазными обмотками расположенными на одном статоре и сдвинутыми в пространстве на 30 эл.градусов.
Достоинством многофазной ЭМ является:
а) более высокая надежность;
б) меньшая критичность к качеству формируемых на ГЭД воздействий что особенно важно для автономных систем;
Кроме того дробление электрической мощности по фазам делает регулировочные характеристики ГЭД менее критичными к асимметрии по амплитуде и фазе питающего напряжения что с увеличением числа фаз в конечном итоге упрощает систему управления и повышает надежность ЭД.
Использование ЭМ с двумя трехфазными обмотками позволяет уменьшить мощность ПП а следовательно снизить токи через полупроводниковые вентили.
При выполнении ГЭД с двумя трехфазными якорными обмотками как показывает мировая практика мощность асинхронного электродвигателя может быть доведена до 4000 – 6000 кВт и более.
Применение двух статорных (многообмоточных) ЭМ также позволяет повысить количество фаз и при их сдвиге в пространстве уменьшить пульсации электромагнитного момента. При этом диаметр электрической машины уменьшается а длина увеличивается без изменения частоты вращения. Однако в двухстаторных ЭМ могут возникнуть крутильные колебания на отрезке вала между двумя статорами. Поэтому при выборе ГЭД предпочтение следует отдать многофазной ЭМ с одним статором.
В качестве ГЭД в данном проекте принят асинхронный электродвигатель типа АДР-2000-6 технические условия ТУ 3337-178-05757908-2007.
Основные номинальные параметры двигателя должны соответствовать параметрам указанным в таблице 8.7.
Таблица 8.7 – Основные параметры двигателя АДР-2000-6
Наименование параметра единицы измерения
Номинальная мощность кВТ
Номинальное линейное напряжение В
Номинальная частота питания сети Гц
Номинальная синхронная частота вращения мин-1
Продолжение таблицы 8.7
Минимальная частота вращения мин-1
Скольжение при номинальной синхронной частоте вращения о.е.
Соединение фаз обмотки статора
Две «звезды» со сдвигом 30 эл.градусов
Коэффициент мощности
Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке %
Отношение пускового тока к номинальному току о.е
Отношение пускового момента к номинальному моменту о.е
Отношение максимального момента к номинальному момента о.е
Превышение по вращающему моменту в течении 15 с %
8.3 Согласующие трансформаторы
Технические характеристики трансформатора.
Применяемые в схеме ГЭУ согласующие трансформаторы Тр1-Тр4 выполнены трехобмоточными. Первичная обмотка соединена “звездой” вторичные – “звезда - треугольник”.
Применение трехобмоточных трансформаторов позволяет решать следующие задачи:
а) согласование по уровню напряжения питающей сети и гребного электродвигателя;
б) реализация эквивалентного двенадцатифазного режима выпрямления.
Выполнение вторичных обмоток трансформатора соединением “звезда - треугольник” позволяет компенсировать в магнитной системе трансформатора 5-ю и 7-ю гармонические составляющие и тем самым улучшить качество напряжения на шинах ГРЩ.
Трансформатор рассчитан на длительную работу при 110% номинального напряжения без насыщения магнитопровода.
Основные технические характеристики трансформаторов приведены в таблице 8.8.
Таблица 8.8 – Технические характеристики трансформатора
Номинальная мощность кВА
Число фаз питающей сети
Частота питающей сети Гц
Схема и группа соединения обмоток
Номинальной линейное напряжение первичной обмотки В
Номинальной линейное напряжение вторичной обмотки В
Потери короткого замыкания кВт
Потери холостого хода кВт
Напряжение короткого замыкания %
Класс нагревостойкости изоляции
Устройство для включения трансформаторов.
При установке в ЕЭЭС с ГЭУ силовых трансформаторов соизмеримых по мощности с электроэнергетической системой возникает техническая проблема связанная с включением трансформатора.
Результаты моделирования процесса включения трансформатора показывают что броски тока трансформатора достигают до 3Iн трансформатора и провалы напряжения на шинах генератора 15 17%.
Для исключения этого отрицательного влияния в схеме пуска трансформатора используется пусковое устройство. Схема включения устройства представлена на принципиальной схеме преобразователя частоты для питания ГЭД.
Пусковое устройство включается параллельно автоматическим выключателям и обеспечивает включение в каждую фазу двух встречно-параллельных управляемых тиристоров. Изменение напряжения прикладываемого к первичной обмотке трансформатора происходит под контролем тока который равен току холостого хода трансформатора (примерно 1-15% Iн трансформатора).
Наряду с включением трансформатора пусковое устройство одновременно позволяет осуществлять плавный заряд конденсаторов в звене постоянного тока преобразователя частоты для питания ГЭД величина которого не превышает ток холостого хода.
8.4 Выбор преобразователя частоты для питания ГЭД
Полупроводниковый преобразователь частоты (ПЧ) является одним из основных элементов в гребной электрической установке (ГЭУ) определяет структуру ГЭУ и позволяет формировать основные регулировочные характеристики организовать систему защит контроля и индикации обеспечивает связь с верхним уровнем системы управления судном.
Выбор ПЧ является сложной и как правило многокритериальной задачей решение которой зависит от многих факторов и выбор ПЧ производится в комплексе с выбором основных элементов ЕЭЭС с ГЭУ таких как генераторы гребной двигатель и движитель.
Ниже рассматриваются основные типы ПЧ которые находят применение в построении современных ГЭУ.
По принципу построения силовой части все ПЧ делятся на преобразователи частоты с непосредственной связью (НПЧ) и двухзвенные преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Последние могут быть выполнены на основе автономных инверторов тока (АИТ) или инверторов напряжения (АИН).
Непосредственные преобразователи частоты.
До последнего времени в системах электродвижения НПП использовались значительно чаще чем ПП со звеном постоянного тока. Силовая схема НПП выполняется на базе мостовых или лучевых вентильных групп.
К достоинствам НПП следует отнести:
а) однократное преобразование электроэнергии и как следствие меньшие потери в силовых вентилях и более высокий КПД;
б) НПП являются обратимыми что позволяет без принятия дополнительных схемных решений осуществлять рекуперативное торможение ГЭД;
в) высокое качество выходного напряжения на низких частотах выходного напряжения.
Как показал опыт эксплуатации применение рекуперативного торможения ГЭД незначительно сказывается на времени торможения судна. Кроме того рекуперативное торможение целесообразно только тогда когда имеется возможность поглотить рекуперативную электроэнергию что в ряде случаев является весьма проблематично.
Среди недостатков НПП следует отметить:
а) в результате применения естественной коммутации вентилей НПП имеют низкий коэффициент мощности который сильно зависит от нагрузки ГЭД и величины выходного напряжения так на атомных ледоколах типа “Таймыр” номинальное значение коэффициента мощности НПП составляет 07 а в режимах долевой нагрузки коэффициент мощности снижается до 03;
б) НПП имеют разветвленную силовую схему вследствие чего для ее реализации требуется большое количество силовых вентилей и более сложная схема управления;
в) низкое качество электроэнергии (повышение коэффициента несинусоидального искажений) питаемой (судовой) сети. Так на ледоколе “Таймыр" коэффициент нелинейных искажений на шинах ГЭУ достигает 17-18% а на шинах собственных нужд – 14-15%”;
г) ограниченное значение величины выходной частоты;
д) максимальное значение выходной частоты НПП определяется следующими факторами:
е) допустимой степенью неравномерности загрузки полупроводниковых вентилей;
ж) качеством выходного напряжения;
з) при использовании НПП на не запираемых вентилях с сетевой коммутацией (однооперационных тиристорах) выходная частота как правило не превышает 30-50% от входной. Повышение частоты снижает качество выходного напряжения что вызывает:
) дополнительный нагрев ГЭД;
) повышение пульсаций вращающего момента.
Для повышения выходной частоты можно применять коммутацию вентилей за счет ЭДС ГЭД аналогично ВИ или использовать полностью управляемые вентили. Однако в первом случае это приведет к необходимости увеличения мощности ГЭД а во втором – повышению стоимости преобразователя.
По типу силовой схемы НПП делятся на мостовые и лучевые (с нулевыми вентильными группами) (рисунки 8.25 и 8.26).
У НПП с мостовыми вентильными группами следует отметить следующие достоинства по сравнению с преобразователями на базе лучевых групп:
а) выше качество выходного напряжения;
б) меньше искажение питаемой сети;
в) выше выходная частота.
К недостаткам НПП данного типа следует отнести:
а) большое количество полупроводниковых вентилей и как следствие выше стоимость масса и габариты;
б) необходимо осуществлять гальваническую развязку фаз на выходе преобразователя вследствие возможности образования короткозамкнутых контуров что приводит к необходимости применения ГЭД специального исполнения с изолированными фазами;
в) более сложная система управления.
При применении НПП с лучевыми вентильными группами (рисунок 8.25) нет необходимости разделять фазы нагрузки. В данных преобразователях меньше количество используемых вентилей однако выше пульсации тока в выходной сети и ниже качество электроэнергии во входной. Данные недостатки ограничивают использование НПП данного типа в электроприводах средней и большой мощности.
Рисунок 8.25 – Схема НПП с мостовыми вентильными группами
Рисунок 8.26 – Схема НПП с лучевыми вентильными группами
Преобразователь частоты на базе ведомого инвертора.
Схема представлена на рисунке 8.27 и содержит входной управляемый выпрямитель звено постоянного тока с дросселем L и ведомый инвертор (ВИ).
Рисунок 8.27 – Схема силовой части ПЧ с ВИ
ВИ тока по принципу действия осуществляет распределение подводимого к нему тока по фазам двигателя следовательно его применение требует обязательного использования входного управляемого преобразователя осуществляющего регулирование силы тока. В ВИ при работе гребного электродвигателя в генераторном режиме происходит изменение полярности напряжения на входе инвертора при сохранении направления тока инвертора.
а) сравнительно дешевая элементная база;
б) возможность осуществления рекуперации электроэнергии.
а)коммутация вентилей осуществляется за счет ЭДС электродвигателя что повышает мощность двигателя в качестве которого может использоваться только синхронная машина с электромагнитным возбуждением;
б) снижение качества электроэнергии во входной сети;
в) сложность осуществления коммутации тиристоров ВИ при пуске когда частота вращения ГЭД ниже 5% от номинальной.
Коммутация тиристоров на низких частотах осуществляется при нулевом токе в звене постоянного тока по специальному алгоритму за счет перевода выпрямителя в инверторный режим работы и шунтирования дросселя.
Преобразователь частоты с автономным инвертором напряжения
Преобразователь частоты построенный по принципу автономного инвертора напряжения представлен на рисунке 8.28. Схема содержит входной неуправляемый выпрямитель звено постоянного тока с батареей конденсаторов и автономный инвертор напряжения (АИН).
Рисунок 8.28 – Схема силовой части ПЧ с АИН
В АИН существуют два способа регулирования выходного напряжения -амплитудный и импульсный. При амплитудном способе регулирования напряжения путем изменения его значения на входе инвертора выходное напряжение имеет прямоугольно-ступенчатую форму и не зависит от параметров нагрузки ГЭД.
При импульсном регулировании форма выходного напряжения определяется принятым способом формирования его полуволн из импульсов с изменяемой шириной. Применительно к ГЭД в АИН получили распространение способы широтно-импульсного регулирования (ШИР) и широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Переход АИН в генераторный режим сопровождается изменением направления тока инвертора при сохранении полярности напряжения на его входе.
АИН на запираемых вентилях (IGBT – транзисторах IGCT – тиристорах) имеет ряд достоинств. АИН с широтно-импульсной модуляцией производит одновременное регулирование напряжения и частоты подводимой к ГЭД. Возможность применения в качестве входного преобразователя неуправляемого выпрямителя позволяет снизить до минимума отрицательное влияние работы преобразователя на питающую сеть.
АИН требуют меньшее количество силовых ключей обладают меньшей массой и габаритами. При использовании метода ШИМ модуляции выходное напряжение АИН может формироваться близким к синусоидальному. Применение силовых транзисторов IGBT в составе автономных инверторов позволит повысить частоту модуляции и уменьшить уровень высших гармоник в кривых тока ГЭД что уменьшает акустические шумы в ГЭД. При большой кратности частоты коммутации и выходной частоты преобразователя значительно повышается быстродействие системы регулирования что позволяет улучшить динамические характеристики ГЭУ.
Таким образом исходя из вышеизложенных представлений для регулирования частоты вращения ГЭД принимается преобразователь частоты со звеном постоянного тока и АИН с микропроцессорной системой управления.
Техническая характеристика ПЧ с АИН.
Основными электротехническими и конструктивными узлами ПЧ определяющими его работоспособность и качество выходных токов и напряжений являются:
а) структура силовой части;
б) конструкция преобразователя;
в) способ охлаждения;
г) микропроцессорная система управления.
Преобразователь частоты содержит:
а) входной выпрямитель;
б) звено постоянного тока;
в) автономный инвертор напряжения;
г) чоппер с тормозным резистором.
Структурная схема силовой части преобразователя частоты с двуми каналами преобразования представлена на рисунке 8.29. Каждый блок ПЧ получает питание от отдельного трансформатора.
Рисунок 8.29 – Преобразователь частоты с двумя каналами преобразования
Структурная схема силовой части преобразователя частоты с неуправляемым входным выпрямителем представлена на рисунке 8.30. Входной выпрямитель реализован на двух диодных мостах выполненных по схеме Ларионова и соединенных последовательно. Уровень напряжения в звене постоянного тока Ud определяется из выражения
где – линейное напряжение ГЭД;
– коэффициент модуляции выходного напряжения инвертора;
– напряжение в звене постоянного тока.
Рисунок 8.30 – Преобразователь частоты с неуправляемым входным выпрямителем
Вторым вариантом силовой структуры преобразователя частоты является установка на входе преобразователя частоты выпрямителя реализованного на IGBT-транзисторах у которого в работе участвуют сам транзистор и обратный диод. Такой тип выпрямителя называется активным и работает он в сочетании с дросселем. Схема такого преобразователя представлена на рисунке 8.31.
Установка его в схему позволяет:
а)повышать напряжение на выходе выпрямителя;
б) компенсировать коммутационные искажения питающей сети;
в) поддерживать cos питающей сети близким к единице;
г) передавать энергию рекуперативного торможения в питающую сеть;
д) отказаться от зарядного устройства.
Рисунок 8.31 – Преобразователь частоты с активным выпрямителем
К недостаткам указанной схемы можно отнести:
а) наличие дросселей рассчитанных на полный ток;
б) наличие дополнительных силовых ключей;
в) сложная схема управления.
Окончательно принимаем структуру силовой части преобразователя частоты с неуправляемым входным выпрямителем для одного канала (рисунок 8.19) по следующим причинам:
а) коэффициент гармоник во входном напряжении меньше 10% что удовлетворяет требованиям Регистра;
б) схема силовой части ПЧ и ЛСУ ПЧ и ГЭУ значительно проще и надежнее чем в варианте с активным выпрямителем;
в) дроссель на полный ток сделать сложнее он будет больше по габаритам и весу по сравнению с трансформатором даже при повышенной частоте ШИМа активного выпрямителя;
г) наличие дросселя и дополнительных ключей понизят КПД преобразователя и усложнят систему охлаждения.
Каждый канал силовой части АИН содержит два блока инверторов включенных в параллель попарно. В каждом из блоков реализована двухуровневая схема инвертора. Одним из факторов повышения качества выходного тока и напряжения является выбор частоты коммутации силовых ключей инвертора. Принципиально повышение частоты коммутации ключей возможно до 10 кГц что снижает амплитуду пульсаций трехфазного тока обмотки статора и связанные с ними шумы и вибрации в асинхронном двигателе в звуковом спектре частот. Существующие сегодня IGBT-модули бывают двух классов:
а) быстродействующие с частотой переключения 5-10 кГц;
б) сверхбыстродействующие с частотой переключения 10-30 кГц.
Для преобразователей ГЭУ в настоящее время могут использоваться ключи с частотой переключения 5-10 кГц.
Снижение времени включения и выключения ключей (повышение частоты коммутации) ниже 1 мкс повышает нелинейность ШИМ. Это связано с уменьшением соотношения периода ШИМ и “мертвого времени” (зоны неуправляемости ключа).
Вместе с тем повышение частоты коммутации свыше 5-10 кГц вызывает резкое увеличение тепловых нагрузок на ключе в статических и динамических (открытие закрытие ключа) режимах. Так при увеличении частоты коммутации до 20 кГц тепловые потери возрастают в 5-10 раз что вызывает снижение токовых нагрузок в соответствующем соотношении и приводит к изначальному увеличению габаритов преобразователя и его удорожание.
В принятом АИН выбраны силовые ключи с частотой коммутации в интервале 1-5 кГц.
Повышению качества выходных токов и напряжения способствует также способ формирования ШИМ в процессе регулирования выходного напряжения АИН. На рисунке 8.32 представлен один из вариантов формирования выходного напряжения с помощью изменяющейся в процессе регулирования ШИМ.
Рисунок 8.32 – Изменение широтно-импульсной модуляции инвертора
С точки зрения качества выходного напряжения предпочтение следует отдавать двухполярной (диполярной) ШИМ но такое регулирование во всем диапазоне выходного напряжения требует повышенного напряжения в звене постоянного тока.
Для пропуска через инвертор необходимой мощности ГЭД единичной мощности IGBT – транзисторов недостаточно. Необходимо включать ключи в параллель или соединять в параллель блоки инверторов. Предпочтительным является соединение блоков в параллель через уравнительные реакторы. Такой вариант позволяет выровнять токи инверторов соединенных параллельно и ограничить аварийные токи короткого замыкания на выходе ПЧ.
Характеристика выбранного ПЧ.
Преобразователь частоты предназначен для преобразования переменного трехфазного напряжения неизменного по амплитуде и частоте в переменное трехфазное напряжение изменяющееся по величине от 0 до 960 В и частоте от 0-60 Гц.
ПЧ обеспечивает управление ГЭД во всех эксплуатационных режимах при этом задний ход и торможение судна осуществляется разворотом ВРК.
ПЧ состоит из четырёх идентичных блоков преобразователя частоты каждый из которых содержит блок выпрямителя и два блока инверторов.
Состав и основные технические характеристики преобразователя частоты
Силовая часть ПЧ одного борта состоит из двух одинаковых блоков преобразователя частоты (ПЧ1 и ПЧ2) для питания двух обмоток ГЭД (рисунок 8.13).
Каждый блок преобразователя включает в себя:
а) неуправляемый 12-ти пульсный выпрямитель на входе;
б) звено постоянного тока с чоппером и тормозным резистором;
в) автономный инвертор напряжения который состоит из двух инверторных блоков соединенных в параллель через уравнительные реакторы;
Основные технические характеристики преобразователя частоты представлены в таблице 8.9 и последующих главах проекта.
Таблица 8.9 – Технические характеристики преобразователя частоты
Номинальная мощность кВт
Входное линейное напряжение В
Частота входного питающего напряжения Гц
Число фаз входного напряжения
Продолжение таблицы 8.9
Максимальное линейное напряжение на выходе преобразователя
(действующее значение первой гармоники) В
Диапазон изменения выходного напряжения В
Номинальная частота выходного напряжения Гц
Диапазон изменения частоты выходного напряжения Гц
Число фаз выходного напряжения
Коэффициент полезного действия преобразователя не менее
Питание ПЧ осуществляется от согласующего трехобмоточного трансформатора первичная обмотка которого соединена по схеме «звезда». Две вторичные обмотки трансформатора соединены по схеме «звезда-треугольник» и сдвинуты относительно друг друга на угол 30° (электрических). Номинальное линейное напряжение вторичных обмоток
трансформатора 560В. Применение трансформатора позволяет:
а) выполнить гальваническую развязку силовых цепей питания;
б) повысить напряжение;
в)реализовать эквивалентный двенадцатипульсный режим выпрямления что позволяет компенсировать в магнитной системе трансформатора 5-ю и 7-ю гармонические составляющие и тем самым улучшить коэффициент нелинейных искажений напряжения на шинах ГРЩ.
На выходе ПЧ устанавливаются автоматические выключатели (или разъединители) для возможного аварийного отключения обмоток ГЭД. Такое решение повышает надежность ГЭУ так как при выходе из строя одного блока преобразователя (ПЧ1 или ПЧ2) или обрыве одной обмотки ГЭД возможно дальнейшее движение судна на оставшейся обмотке.
8.5 Подруливающее устройство
Подруливающее устройство (ПУ) предназначено для установки на судне в качестве средства активного управления на малых ходах и без хода.
Предполагается поставка ПУ комплектуемого электродвигателем и преобразователем частоты. Тип подруливающего устройства ПУ100ФМ ИОТУ ЕВИД364451014.
Рисунок 8.32 – Структурная схема ПУ
В состав ПУ входят следующие элементы:
б) электродвигатель;
в) реверсивный преобразователь частоты (РПЧ) с микропроцессорной системой управления (МПСУ);
г) панель управления для центрального поста управления в рулевой рубке;
д) панель управления для бортовых постов управления (2 шт.).
ПУ имеет гребной винт фиксированного шага.
Предполагается поставка гребного винта производства НПО "Винт".
Технические параметры гребного винта:
а) диаметр гребного винта – 1 м;
Рисунок 8.33 – Габаритные размеры ПУ
Тяга указана для тянущего режима для стандартных условий (длина канала LD=3 борт 90° радиус закругления входных кромок rD=005 без решеток). Тяга должна уточняться с учетом фактического расположения ПУ на судне.
Электродвигатель для ПУ.
В ПУ используется асинхронный электродвигатель с частотным управлением. Электродвигатель получает питание от РПЧ. Конструкцией электродвигателя предусматривается его длительная работа при питании от РПЧ.
Электродвигатель должен быть реверсивным. Режим работы электродвигателя – S1 (длительный).
Технические параметры электродвигателя:
а) номинальная мощность электродвигателя – 200 кВт;
б) номинальное линейное напряжение – 3 х 380 В;
в) номинальная частота напряжения – 50 Гц;
Преобразователь частоты ПУ.
Реверсивный ПЧ должен обеспечивает пуск изменение частоты вращения реверс и остановку электродвигателя а также повышенную экономичность при работе на частичных режимах. Он также обеспечивает защиту электрического двигателя от перегрузки и обрыва фаз.
В ПЧ предусматривается местная панель управления встроенная в шкаф преобразователя.
Технические параметры РПЧ:
а) полная номинальная мощность преобразователя – 200 кВт;
б) номинальное линейное входное напряжение – 380 В;
в) входная частота – 50 Гц;
г) номинальное линейное выходное напряжение – 380 В;
д) диапазон изменения выходной частоты – от 1 до 50 Гц;
е) число фаз на входе – 3;
ж) число фаз на выходе – 3;
з) пусковой ток – не более 13 I ном;
и) кратковременная перегрузка по мощности – до 240 кВт;
к) тип системы охлаждения – воздушная.
Ориентировочные габариты преобразователя частоты LxBxH=750мм x 500мм x 1000мм.
Микропроцессорная система управления ПУ.
Микропроцессорная система управления (МПСУ) РПЧ обеспечивает дистанционное автоматизированное управление скоростью и направлением вращения винта ПУ а также контроль параметров и защиты объектов входящих в состав ПУ. Полный перечень функций МПСУ РПЧ должен соответствовать техническим требованиям и функциональному перечню параметров управления контроля и сигнализации
МПСУ РПЧ обеспечивает:
а) сигнализацию о работе;
б) сигнализацию о протечках уплотнителя;
в) сигнализацию о неисправности на панелях управления;
г) индикацию направления упора в РР;
д) подсчет количества моточасов;
е) выдачу данных о состоянии ПУ в регистратор данных о рейсе в объеме требований пункта 5.21.4 части V «Правил по оборудованию морских судов» PC и конвенции СОЛАС глава V Правило 20 (резолюция А.861 (20) ИМО);
ж) подключение ПУ к общесудовой информационной магистрали по стандартному каналу передачи данных;
з) формирование сигнала «Запрос достаточной мощности» в ИСУЭЭС;
и) прием сигнала из ИСУЭЭС «Готовность электростанции»;
к) блокировка работы ПУ до прихода сигнала «Готовность электростанции».
На местный пост управления РПЧ выводятся следующие сигналы о неисправности:
а)предельная температура двигателя ПУ;
б) неисправность вентиляторов;
в) низкий уровень масла.
Перечень сигналов подлежит уточнению.
Панель управления для центрального поста управления в рулевой рубке.
Панель управления обеспечивает передачу сигналов о скорости и направлении вращения гребного винта в микропроцессорную систему управления а также индикацию о текущем состоянии ПУ.
На панели управления встраиваемой в пульты управления в Рулевой рубке располагаться органы управления и сигнализации
а) кнопка «вкл. ПУ»;
б) кнопка «выкл. ПУ»;
в) джойстик без самовозврата в «О»;
г) амперметр с меткой предельного значения тока;
д) сигнальная лампа «Работа разрешена»;
е) сигнальная лампа «Неисправность ПУ»;
8.6 Система защит ГЭУ
Таблица 8.10 – Виды защит ГЭУ
Используемый датчик или устройство
Отказ контроллера или модулей ЛСУ ПЧ и ГЭУ
0% «горячее» резервирование ЛСУ ПЧ и ГЭУ
От повышенного пониженного
входного напряжения ПЧ
Датчик напряжения в звене постоянного
От импульсных перенапряжений на
Снабберные цепочки на входе
От повышенного пониженного тока и от обратного тока в звене постоянного
Датчик тока в звене постоянного тока
От перегрузки обрыва фаз на входе ПЧ
Датчики тока фаз А1В1А2В2 на входе ПЧ
Продолжение таблицы 8.10
От перегрузки обрыва фаз на выходе
Датчики тока фаз U1V1W1 U2V2W2 на
Драйверы силовых модулей
От импульсных перенапряжений на силовых модулях
От снижения напряжения питания в ЛСУ ПЧ и ГЭУ (24В)
Выделенная линия гарантированного
питания источники бесперебойного питания 100% резервирование вторичных источников питания датчики напряжения
От превышения температуры на охладителях силовых устройств
Температурные датчики на охладителях
силовых устройств (по 2на охладитель)
От превышения температуры в шкафах ПЧ
Температурные датчики внутри шкафов ПЧ
От превышение температуры обмоток и подшипников ГЭД
Датчики температуры обмоток и подшипников ГЭД
От превышение температуры обмоток трансформаторов
Датчики температуры обмоток трансформаторов
Автоматическое снижение мощности (оборотов) ГЭД производится:
а) при перегрузке ПЧ;
б) при превышении температуры на охладителях силовых устройств ПЧ;
в) при превышении температуры обмоток и подшипников ГЭД;
г) при превышении температуры обмоток трансформаторов.
8.7 Расчёт электромагнитных процессов ЕЭЭС с ГЭУ
Расчёт переходных процессов ЕЭЭС с ГЭУ
Расчётная схема представлена на рисунке 8.23
Рисунок 8.34 Расчётная схема системы ЕЭЭС с ГЭУ судна
Компьютерная модель ЕЭЭС с ГЭУ
Компьютерная модель ЕЭЭС с ГЭУ разработана в среде Simulink и представлена на рисунке 8.35.
Рисунок 8.35 –Компьютерная модель ГЭУ
На рисунке 8.35 представлено изображение модели гребной электроустановки судна проекта созданной в математическом пакете MATLAB-Simulink.
Модель включает в себя следующие элементы:
а) Source – дизель-генератор(ы);
б) Three-Phase Transformer 1 и 2 – трёхфазные трансформаторы с одной первичной обмоткой и двумя вторичными;
в) Converter 1 и 2 – преобразователи частоты каждый из которых состоит из двенадцатипульсного диодного выпрямителя емкостного фильтра и двух включённых параллельно инверторов;
г) Asynchronous Mach
д) Machines Measurement Demu
ж) Load – блок моделирующий различные типы нагрузки на валу АМ;
и) powergui – служебный блок необходимый для работы модели.
Характеристика нагрузки на валу ГЭД.
На рисунке 8.36 представлены различные характеристики нагрузки на валу гребного электродвигателя (ГЭД):
– характеристика нагрузки в режиме «ход в свободной воде»;
– характеристика нагрузки в швартовном режиме.
Рисунок 8.36 – Винтовая характеристика нагрузки ГЭД
Расчёт переходных процессов.
8.8 Расчет надежности и разработка программы обеспечения надежности
С целью определения выполнения требований ТЗ по надежности ЕЭЭС с СЭД произведена оценка вероятности того что система окажется работоспособной в любой момент заданного периоды эксплуатации. Работоспособным состоянием ЕЭЭС с СЭД принято состояние при котором она способна выполнять функции обеспечения электроэнергией обусловленного качества потребителей состав и мощность которых определяется заданным режимом работы и ход судна. За отказ ЕЭЭС с СЭД принята неспособность выполнения ею поставленной цели функционирования в особенности обеспечения хода судна.
Принимаемые допущения.
Элементы ЕЭЭС с СЭД проходят достаточный комплекс предварительных испытаний в основном исключающий возможность появления при эксплуатации приработочных отказов повышенной интенсивности. Эксплуатация ЕЭЭС с СЭД осуществляется с соблюдением планово-предупредительных ремонтов в пределах ресурса гарантированного техническими условиями вследствие чего характер возможных отказов – не износовый а случайный с постоянной интенсивностью (за рассматриваемое время эксплуатации) то есть поток отказов стационарный.
Вероятность совмещения моментов возникновения двух или более отказов настолько мала что ею возможно пренебречь. Вследствие этого поток отказов принимается ординарным.
Вероятность появления отказов ЕЭЭС с СЭД не зависит от распределения отказов в прошедшем то есть поток отказов – без последействия.
На основании этих допущений поток отказов у элементов ЕЭЭС с СЭД принимается стационарным Пуассоновским (простейшим) а закон распределения времени наступления отказа – экспоненциальным.
В расчетах надежности структуры ЕЭЭС с СЭД принимается что каждый из ее элементов может находиться в одном из двух возможных состояний – работоспособности или отказа.
Отказы элементов ЕЭЭС с СЭД являются независимыми событиями.
При выполнении ориентировочных расчетов надежности системы ЕЭЭС с СЭД процесс восстановления ее элементов допускается не учитывать (за исключением случаев непосредственно связанных с комплектацией персонала или ЗИП).
Расчетные выражения.
Вероятность безотказной работы при экспоненциальном законе распределения времени наступления отказов определяется по формуле:
где λ –интенсивность отказов.
Вероятность возникновения отказа элемента определяется по формуле:
Q(t) = 1 P(t) = 1 eλt . (8.3)
Вероятность безотказность работы системы представляющей собой группу последовательно соединенных (с точки зрения взаимодействия) элементов:
где – вероятность безотказной работы i-го элемента системы.
Вероятность отказа системы:
Вероятность отказа системы представляющей собой группу параллельно соединенных между собой (с точки зрения взаимодействия) элементов:
Вероятность безотказной работы этой системы:
P(t) = 1Q(t) =1Q1(t)Q2 (t) Qn (t). (8.7)
Расчет вероятности безотказного обеспечения хода судна
Обобщенная схема расчета надежности ЕЭЭС с СЭД представлена на рисунке 8.36.
Рисунок 8.37 – Схема расчета показателей надежности
Условные обозначения на рисунке 8.37:
Г1 – Г3 – генераторы;
ГРЩ – главный распределительный щит;
Тр1 – Тр4 – трансформаторы;
ПЧ1 ПЧ2 – преобразователи частоты;
РЩ1 РЩ2 – распределительные щиты;
ЛСУ ПЧ – локальная система управления ПЧ;
ГЭД1 ГЭД2 – гребные электродвигатели;
ВРК1 ВРК2 – винтовые рулевые колонки.
Основные расчетные формулы.
На основе формул (8.4 – 8.7) вероятность безотказной работы блока 1:
Pбл1 = 1 (1 Pг1 )(1 Pг 2 )(1 Pг3 ) = 1 (1 Pг )3 . (8.8)
Ввиду того что блоки 2 и 3 идентичны между собой вероятности их безотказной работы равны друг другу и могут быть определены из выражения:
Pбл2 = Pбл3 = [1 (1 PГРЩ PТр PПЧ PРЩ )2 PЛСУ PГЭД PВРК ] (8.9)
Вероятность безотказной работы обеих ВРК:
PI = Pбл1Pбл2 Pбл3 (8.10)
Вероятность безотказной работы одной ВРК:
PII = Pбл1 (1 (1 Pбл2 )(1 Pбл3 )). (8.11)
Исходные данные для расчета вероятности безотказной работы элементов определяются в соответствии с нормативными документами (ТУ16-88 ИАЕГ.528455.001 отраслевым стандартом «Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета структурной надежности. ОСТ 5.6125-78») и сведены в таблицу 8.6.
Таблица 8.11–Исходные данные для расчета вероятности безотказной работы элементов
Трансформаторы Тр1 –
Результаты расчетов.
Вероятности безотказной работы блоков 1 – 3 (7 8):
Pбл1 = 0.999; Pбл2 = Pбл3 = 0.981 .
Вероятность безотказной работы обеих ВРК (9):
Вероятность безотказной работы одной ВРК (10):
Таким образом приведенные расчеты показывают что при показателях надежности основных элементов ЕЭЭС с СЭД в соответствии с отраслевым стандартом 1978 года обеспечивается требуемая по ТЗ вероятность безотказной работы системы.
9. Система электродвижения ледокола с ЕЭС
9.1 Краткая характеристика
Судно предназначается для:
- самостоятельной проводки крупнотоннажных судов;
- буксировки судов и других плавучих сооружений в ледовых условиях и
- тушения пожаров на плавучих объектах и других сооружениях;
- выполнения работ по оказанию помощи судам терпящим бедствие в
ледовых условиях и на чистой воде;
- перевозки контейнеров на открытой части верхней палубы включая
рефконтейнеры с соответствующим энергообеспечением а также других палубных
9.2. Общие данные ледокола
Длина наибольшая м ..1198
Ширина наибольшая м . ..275
Высота борта на миделе до верхней палубы м 124
Осадка расчётная м ..85
Водоизмещение судна т .. 143378
Дальность плавания по запасам топлива составляет миль .11000
Скорость судна уз 170
Мощность ГЭУ кВт . .18
9.3 Единая электростанция
Схема ЕЭС представлена на рисунке 8.38
Она предусматривает питание двух сдвоенных гребных электродвигателя и потребителей собственных нужд судна. Электростанция состоит из 4 основных синхронных генераторов G1G2G3G4 технические данные которых следующие:
Мощность 6757 кВт8438 кВа
Коэффициент мощности 0.80
Номинальное напряжение 6300 В
Частота вращения .. 750 обмин
КПД при номинальной мощности .97%
Подшипники .скольжения
Рама и задние щиты - литые или сварные загрунтованы для защиты от коррозии. Роторы рассчитаны на выдерживание вибрации вызванной работой двигателя и механические нагрузки возможные при частоте 120% от номинальной частоты вращения.
Генератор охлаждается с помощью вентилятора установленного на валу. Охлаждающий воздух циркулирует внутри генератора через воздушно водный холодильник.
Система возбуждения состоит из электронного регулятора напряжения возбудителя и вращающегося диодного мостика. Регулятор контролирует выходное напряжение генератора подавая на возбудитель ток возбуждения. Возбудитель и диодный мостик работают в качестве усилителя и подают ток возбуждения на главные полюса генератора. Обмотки статора выдерживают ток в 3 раза больше номинального в течение 10секунд.
9.3.1 Стояночные генераторы HG1 HG2 мощностью 950 кВт и напряжением 400 В.
9.3.2 Аварийный генератор EMG мощностью 200 кВт и напряжением 400 В.
9.3.3 Распределительные трансформаторы Т1Т2Т3 (два основных третий резрвый) предназначены для питания потребителей собственных нужд судна напряжением 400 В.
Технические характеристики:
Первичное напряжение .6300 В
Выходное напряжение ..400 В
9.3.4 Устройства бесперебойного питания (УБП) UPS1 и UPS2 предназначены для обеспечения (резервного) аварийного питания систем сигнализации средств радиосвязи навигации систем управления и контроля ЕЭЭС и других систем. Предусматриваются по два источника бесперебойного питания с аккумуляторными батареями напряжением 24 В и 230 В частотой 50 Гц. Один комплект ИБП для аварийного освещения 230 В. Включение питания потребителей от аккумуляторных батарей производится автоматически при исчезновении напряжения в основной сети питания.
Первичное напряжение .400 В
Время работы ..30 мин
Входная частота . .50 Гц
Выходное напряжение 230 В
Каждый УБП состоит из трех компонентов:
- Трансформатор 400230 В мощностью 13кВА
- Шкаф аккумуляторных батарей
9.3.5 Главные и специальные распределительные щиты:
- главный распределительный щит № 1 (ГРЩ1) 6300 В
- главный распределительный щит № 2 (ГРЩ2) 400230В (для питания собственных нужд)
- аварийный распределительный щит (АРЩ) 400230 В
Технические характеристики ГРЩ №1:
Расчетное напряжение 7.2 кВ
Номинальное напряжение ..6.3 кВ
Номинальная частота ..50 Гц
Номинальный ток на шине .1600 А
Тип панелей управления на базе ПЛК
Расчетная масса .13600 кг
9.4 Электроприводы ледокола
Схема ЕЭС представлена на рисунке 8.39
9.4.1 Гребные электродвигатели М1 и М2 – асинхронные сдвоенные питаются от преобразователей частоты VSD1.1VSD1.2VSD2.1 VSD2.2 которые выполненные на IGBT транзисторах. Каждый преобразователь обеспечивает питание одного электродвигателя напряжением 690 В.
Основные технические характеристики электродвигателя:
Метод запускачастотным преобразователем
Номинальная частота вращения .+- 600
Направление вращения в обе стороны
Макс частота вращения .840 обмин
Класс изоляции термозащиты ..F F
Подшипники .скольжения
Коэффициент мощности 0.88
Общая масса 52000 кг
Электродвигатель охлаждается с помощью электроприводных вентиляторов. Охлаждающий воздух циркулирует внутри электродвигателя через сдвоенный трубочный воздушно водный холодильник. Подшипники скольжения сделаны разъемного типа на сферической посадке для облегчения сборки и техобслуживания.
9.4.2 Частотные преобразователи для электродвигателей ГЭД
Частотные преобразователи являются источниками напряжения и имеют систему непосредственного охлаждения силовых транзисторов IGBT. Напряжение для питания электромоторов вырабатывается по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по векторному закону управления с замкнутой петлей обратной связи. Это обеспечивает точное управление частотой вращения ГЭД. Входное выпрямление переменного тока в постоянный выполняется диодными силовыми модулями. ПЧ с диодным выпрямлением обеспечивает работу электромоторов ВРК в первом и четвертом квадранте. Конструкция электромоторов должна соответствовать специальным требованиям обеспечивающим их работу от частотных преобразователей с законом управления ШИМ. Возможно использование следующих законов управления: постоянство частоты вращения и постоянство мощности ГЭД. Встроенная внутренняя система управления частотных преобразователей имеет интерфейс с ГРЩ и системой управления ВРК и ПУ чем обеспечивается быстрое снижение нагрузки в случае выхода из строя генератора (предотвращение обесточивания).
Технические характеристики:
Число импульсов выпрямителя питания: 12
Номинальная выходная мощность: ..4500 кВт
Номинальный режим: .. перегрузочный
Номинальная выходная частота:50 Гц
Возможность продолж. работы на низких оборотах: Имеется
Напряжение питания (+-10 %): 690 В
Частота питания (+-5 %):.50 Гц
Коэффициент мощности при 100% нагрузке: .. ..> 0.95
КПД при номинальной мощности: 98.8 %
КПД электромотора: 96.8 %
Выходное напряжение: 0 - 690 В
Охлаждающая среда:.. Пресная вода с антикор присадками Метод охлаждения: ..Прямое от судовой системы прес. воды
9.4.3 12- импульсные трансформаторы Т1.1 Т1.2 Т2.1 Т2.2.
Выходное напряжение 690 В
9.4.4 Подруливающие устройства МТТ применяется для швартовки и прохода в узкостях в носовой оконечности судна предусматривается подруливающее устройство (ПУ) туннельного типа. Гребной винт ПУ – четырехлопастной фиксированного шага диаметром около 22 м. Привод ПУ – от гребного электродвигателя мощностью около 1000 кВт с питанием напряжением 690 В с плавным регулированием частоты вращения.
Для защиты ото льда и посторонних предметов тоннель ПУ оборудуется защитными решетками.
Номинальная частота вращения +- 600
Класс изоляции термозащиты F F
Подшипникискольжения
Коэффициент мощности . 0.88
Общая масса .4500 кг
9.4.5 Пожарные насосы М1 и М2 – асинхронные электродвигатели мощностью 1200 кВт и напряжением 6300 В получают питание от высоковольтного ГРЩ.
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГЭУ
1 Общие вопросы оптимизации контура регулирования ГЭУ
Если данные и свойства объекта регулирования известны то задача заключается в таком выборе и настройке регулирующего устройства при которых форсируемое им управляющее воздействие было бы в состоянии как можно быстрее и точнее и без возникновения колебаний заставить регулируемую величину X следовать за задающим воздействием Хз и нейтрализовать изменение величины Хz. Идеальный режим контура регулирования был бы достигнут в том случае если бы регулируемая величина реагировала на изменение задающей без запаздывания и без появления колебаний. Такое поведение контура описывается уравнением:
Xt) X3(t) = 1 или Х(р) Х3(р) = 1.
Вместе с тем в этом случае регулируемая величина никак не реагировала бы на изменения возмущения:
X(t) XZ(t) = 0 или Х(р) XZ(p) = 0.
Препятствием для такого идеального поведения контура регулирования является инерционность объекта. Поэтому возникает задача - разработать и применить для данного объекта регулирования регулятор наиболее подходящего типа с тем чтобы ликвидировать влияние инерции объекта настолько полно насколько это оказывается возможным. Такую задачу и называют оптимизацией.
Это неравенство относится ко всему спектру частот от 0 до бесконечности.
Очевидно целесообразно добиться по крайней мере для части спектра частот приближения к 1. В этом случае в момент скачка входного сигнала (при t стремящемся к 0) когда наиболее резко выражены наивысшие частоты спектра сигнала естественно нельзя добиться того чтобы регулируемая величина в точности следовала за задающей. Однако с дальнейшим развитием переходного процесса на первый план выступают более низкие частоты. И если в этой полосе частот модуль передаточной функции примерно равен 1 то погрешность регулируемой величины относительно задающей будет близка к 0.
Так как модуль W3 в течение всего переходного процесса по возможности быстрее должен подходить к 1 то такой прием оптимизации называется оптимизацией настройки регулятора путем пригонки модуля к единице.
«Пригонка» модуля W3(t) характеризуется тем что передаточная функция должна остаться близкой к 1 даже при 0.
При анализе контуров регулирования имеем дело как правило с передаточными функциями следующего вида:
Если в уравнении (9.1) выделить вещественную часть то для модуля передаточной функции будем иметь:
Если потребовать чтобы это выражение осталось равным единице при низких частотах то с учетом (9.3) получим:
Это первое условие оптимизации.
Применяя аналогичные приемы к (9.2) получим:
Для пригонки этого выражения к 1 необходимо выполнить условие:
Если эти условия оптимизации выполняются то уравнение 9.4 и 9.5:
Из изложенного ранее следует что добиться точного равенства модуля 1 можно только при 60=0.
Пропорциональный и интегральный регулятор
Выберем в качестве объекта регулирования инерционное звено первого порядка.
Применим пропорциональный регулятор тогда
Таким образом статистическая ошибка регулирования будет тем меньше чем больше усиление в контуре КрКо6 где Ко = КрКоб - кольцевое усилие.
При желании избежать погрешностей присущих П регулятору обращаются к интегральным звеньям.
Объект регулирования с большой и малой инерционностью
Пусть регулирование необходимо осуществлять без статической ошибки т. е. необходимо И – регулирование. Для компенсации большой инерционности необходимо придать регулятору пропорционально-интегральные свойства.
Условие компенсации Тш = Т. Тогда:
здесь а0 =КрКов аЛ =ТИЗ а2 =Та.
Условия оптимизации a12=2
Следовательно передаточная функция оптимизированного контура определяется только амплитудой малых постоянных времени. Уравнение переходного процесса соответствует этой W3
Соответствующая этому процессу кривая X(t) представлена на рисунке 9.1
Рисунок 9.1 – Переходный процесс при скачкообразном изменении входного сигнала р1 = 47а; tp2 = 84а
Полученная кривая переходного процесса не является оптимальной по быстродействию и перерегулированию. Действительно если:
Решение такого уравнения:
- коэффициент демпфирования;
при =1 4b=a2 и уравнение (9.19) вырождается в экспоненту:
При скачке входного сигнала X(t) меняется для регулирования в соответствии с рисунке 9.2.
Рисунок 9.2 – Реакции системы на скачок задания при различных настройках контура (С- var)
Если в цепочке инерционного звена первого порядка есть две большие инерционности то для их компенсации регулятор должен обладать двумя значениями времени упреждения т.е. должен быть ПИД - регулятор.
Следует добавить что большую Г необходимо компенсировать Тт а меньшую - Туп. Если объект регулирования содержит инерционность постоянной времени контуров в 20 более остальных возможно применение П-регулятора.
Компенсации как таковой нет.
Условия оптимизации:
Для случаев когда T >> (T=20);
То же условие что и при ПИ в ПИД регуляторах. Поэтому передаточная функция оптимально настроенного контура очень походит на ПИ.
Заметим что T T + 2 1;
Но здесь есть статическая ошибка регулирования.
Это соотношение показывает что при настройке П регулятора по правилам оптимизации модуля ошибка регулирования зависит только от постоянных времени.
Симметричный оптимум
В состав объекта могут входить также интегральные звенья. Тогда компенсация наибольшей инерционности или двух больших инерционностей первого порядка уже не может дать необходимого результата т. к. интеграционному звену объекта противопоставляется интеграционный характер регулятора. Это приводит к синусоидальным колебаниям регулируемой величины.
Следовательно такая оптимизация не подходит.
Объект с одним интегрирующим звеном и малыми интеграционностями
Условия оптимизации ;
При скачке задания выходная координата будет изменяться так:
соответствующая ей кривая представлена на рисунке 9.3
Рисунок 9.3 – Переходный процесс при скачке задания при симметричном оптимуме tр1=31; tp2=l65
Объект регулирования с интеграционным звеном одной большой и многими малыми инерционностями первого порядка
Положим Туп = Т. Получим то же что и в предыдущем случае.
Сглаживание задающего сигнала
Для переходной функции контура регулирования настроенного на симметричный оптимум характерен весьма заметный выброс - 434%. Это в ряде случаев недопустимо.
Числитель 1 + р4 передаточной функции замкнутого оптимизированного контура характеризует некоторое упреждение (сходное с ПД регулятором). Вполне возможна обратная операция - компенсация нежелательного упреждения с помощью искусственно созданной инерционности.
В большинстве случаев в качестве Wф используется пассивно
С постоянной времени Тф
Этой передаточной функции соответствует следующее временное дифференциальное уравнение.
Отсюда переходная функция при скачке задания будет
а соответствующая ей кривая представлена на рисунке 9.4.
Рисунок 9.4 - Переходная функция при скачке задания
2 Оптимизация системы регулирования ГЭУ постоянного тока
2.1 Структурная схема двигателя постоянного тока
Уравнения электромеханического равновесия двигателя постоянного тока (ДПТ) выглядят так:
где U - напряжение прикладываемое к якорю двигателя; Е - противо-ЭДС ГЭД; - угловая скорость; Ф - поток двигателя; М- электромагнитный момент развиваемый двигателем; J-момент инерции Мс — момент сопротивления с' - конструктивная постоянная; RL — соответственно активное сопротивление и индуктивность якорной цепи.
В операторной форме система (9.38) может быть представлена следующими выражениями:
Система (9.39) позволяет представить структурную схему ДПТ:
Рисунок 9.5 – Структурная схема ДПТ
Введя как электромеханическую постоянную времени окончательную структурную схему ДПТ будем иметь в виде представленном на рисунке9.6.
Рисунок 9.6 – Структурная схема ДПТ
В этой структуре точка приложения возмущения (Мс) перенесена в точку формирования тока (Iс) что определяется необходимостью контролировать ток в процессе работы электропривода.
Соответствующая структура справедлива для однозонного регулирования когда скорость ДПТ регулируется изменением напряжения на якоре при номинальном потоке возбуждения.
При регулировании возбуждения схему замыкания цепи возбуждения можно представить (рисунок 9.7):
Рисунок 9.7 – Структурная схема ДПТ
В этой схеме замкнутый магнито-связанный контур представляет собой контур вихревых токов.
Уравнения определяющие ток возбуждения могут быть записаны так:
Здесь LB LBT – соответственно индуктивности контуров тока возбуждения и вихревых токов;WB Wm - витки обмотки возбуждения и эквивалентного контура вихревых токов; k - коэффициент взаимоиндукции.
В соответствии с (9.40)
а (9.41) перепишется в виде
Принимая во внимание что а можно записать
Поток возбуждения ДПТ можно с учетом (10.6) определить как
где и определяется кривой намагничивания машины.
и общая структурная схема ДПТ по каналу возбуждения будет выглядеть в соответствии с рисунок 9.8.
Рисунок 9.8 – Структурная схема ДПТ по каналу возбуждения (Кв = Кфс'со)
2.2 Однозонное регулирование скорости электропривода постоянного тока
При однозонном регулировании изменение скорости ДПТ осуществляется применением напряжения на якоре при номинальном потоке возбуждения.
В соответствии с принципами подчиненного регулирования объект (ДПТ) разбивается на два подобъекта с регулируемыми параметрами - током (внутренний контур) и скоростью (основной контур регулирования). Каждому контуру приводится в соответствие свой регулятор. Оптимизация начинается с внутреннего контура - контура тока. При этом если в качестве преобразователя питающего якорь двигателя используется полупроводниковый выпрямитель (ВП) то структурная схема ДПТ с ВП соответствует рисунок 9.9.
Рисунок 9.9 – Структурная схема вентильного электропривода постоянного тока с однозонным регулированием
Здесь Rэ - эквивалентное сопротивление якорной цепи; с = с'Ф;
КП - коэффициент передачи полупроводникового выпрямителя;
R = (006001) - постоянная времени выпрямителя.
Оптимизация контура тока
В этой схеме разорвана обратная связь по э.д.с изменения которой более инерционны чем процессы в контуре тока определяемые Тэ.
Величины Rэ и Тэ определяются общими сопротивлениями и индуктивностями цепи якоря двигателя.
Как правило Г Тэ т.е. контур тока имеет два апериодических звена с существенно отличающимися постоянными времени. Очевидно что для компенсации большей постоянной времени и придания астатических свойств контуру тока необходимо применить ПИ-регулятор тока т.е.
Тогда передаточная функция разомкнутого контура тока будет
Передаточная функция замкнутого контура тока при условии компенсации Тэ (Тэ = Тит) будет равна:
Обозначив и принимая во внимание условия оптимизации контура определяемое соотношением получим
Подставив (10.10) в (10.9) получим передаточную функцию оптимизированного контура тока
Тогда передаточную функцию регулятора тока можно представить выражением
Оптимизация контура скорости
В контур скорости оптимизированный контур тока войдет несколько упрощенным. Пренебрегаем членами высокого порядка и тогда:
Структурная схема контура скорости представлена на рисунке 9.10.
Рисунок 9.10. – Структурная схема контура скорости
Пропорциональный регулятор
В этом случае передаточная функция разомкнутого контура будет равна
Передаточная функция замкнутого контура скорости
условия оптимизации запишутся так:
Уравнение (10.13) позволяет определить Крс.
Подставив (10.14) в (10.13) получим уравнение оптимизированной передаточной функции замкнутой по скорости системы:
что соответствует настройке контура на модульный оптимум и кривой переходного процесса при скачке задания.
Общая структурная схема электропривода с однозонным регулированием скорости представлена на рисунке 9.11.
Рисунок 9.11 – Структурная схема оптимизированной системы электропривода постоянного тока
При этом статизм системы по заданию равен:
При определении статизма по возмущению необходимо в качестве входного воздействия рассматривать Iс а U3C = 0. Тогда структурная схема будет выглядеть в соответствии с рисунком 9.12.
Рисунок 9.12 – Структурная схема электропривода при определении статизма по возмущению (Wзт Uзс = 0)
Скоростная ошибка () при приложении статической нагрузки (с) определяется выражением
где W3T - передаточная функция по возмущению.
В свою очередь статическая ошибка равна
Принимая во внимание что
получим подставив в (9.57)
Таким образом статическая ошибка при приложении к валу двигателя момента сопротивления в раз меньше чем в разомкнутой системе.
Пропорционально-интегральный регулятор
В этом случае передаточная функция регулятора равна
Передаточная функция разомкнутой по скорости системы
Соответственно передаточная функция замкнутой системы будет
условия оптимизации такого контура можно записать так:
Решение системы (10.20) относительно искомых Крс и Тис дает следующее:
Подставляя найденные по условиям оптимизации Крс и Тис в (10.19) получили уравнение передаточной функции оптимизированного контура скорости.
Таким образом также как и в случае « а » поведение оптимизированного контура скорости определяется только малой постоянной времени Тт.
При этом кривая переходного процесса при скачке задания будет соответствовать симметричному оптимуму с перерегулированием равным 434%.
Так же как и в пункте « а » определяются ошибки по заданию и возмущению которые равны нулю т.е. система с ПИ-регуляторами тока и скорости является двухкратно интегрирующей и имеет статизм второго порядка.
Наличие в системе большого (434%) перерегулирования часто является неприемлемым для регулируемого электропривода. Одним из вариантов снижения перерегулирования в такой системе является включение в тракт U3C фильтра с
передаточной функцией компенсирующего действие форсирующего звена в . В этом случае происходит сглаживание входного сигнала перерегулирование снижается до 81% но увеличивается время отработки задания.
2.3. Расчет параметров решающих цепей регуляторов
Функциональная схема однозонного электропривода постоянного тока представлена на рисунке 9.12.
В задачу расчета параметров решающих цепей регуляторов скорости и тока входит определение Rзс Rc Roc Coc Rзт Rот Coт и Rт по найденным по условиям оптимизации Крт
Рисунок 9.13 – Функциональная схема электропривода постоянного тока с однотонным регулированием
В соответствии с условиями оптимизации
С другой стороны из схемного решения регулятора тока
Как правило при расчетах задается Сот (01 1 мкФ) Тогда
где Тэ определяется по параметрам электропривода..
Из (9.64) и (9.65) имеем что:
Здесь — параметры преобразователя a — параметры электропривода. Значение Kт определяется следующим образом:
где величина задается и определяется током применяемого регулятора а - задаваемый и соответствующий - максимально допустимый ток электропривода.
Исходя из условия работы операционного усилителя на основе которого стоится регулятор
Выходное напряжение датчика тока () равно
где - номинальное напряжение шунта при его номинальном токе ()
- коэффициент передачи датчика тока.
По аналогии с рассуждениями при расчете регулятора тока для регулятора скорости имеем:
Задавшись Сос = 011 мкФ определим
Здесь Кс определяется так
где - задаваемое максимальное напряжение на входе регулятора скорости определяющее при однозонном регулировании номинальную скорость привода. Из условия работы операционного усилителя
где - напряжение тахогенератора. Тогда
Динамический запас по напряжению преобразователя якоря
Чтобы обеспечить время регулирования tp соответствующее модульному оптимуму преобразователь должен иметь динамический запас по напряжению. Величина его на основании структурной схемы равна
оригинал которого имеет вид:
Изображение для тока
Оригинал тока при скачке задания (максимального) когда
Необходимый динамический запас по напряжению равен максимальному значению ed которое имеет место при t = 0.
где - запас по напряжению исходя из статического режима.
Запас по напряжению определяет максимально требуемую э.д.с преобразователя. При Тэ >> 2Т значение Edmax может быть так велико что его трудно реализовать из-за слишком большой требуемой мощности преобразователя. Если это условие запаса по напряжению не выполняется время регулирования при подходе к номинальной скорости возрастает.
3 Двухзонное регулирование скорости гребного двигателя постоянного тока
Функциональная схема ГЭУ
Функциональная схема гребного электропривода постоянного тока при двухзонном регулировании скорости представлена на рисунке 9.14.
Рисунок 9.14 – Функциональная схема зависимой системы
ВПЯ ВПВ - вентильные преобразователи якоря и возбуждения; PC РТЯ РЭ РТВ — соответственно регуляторы скорости тока якоря э.д.с тока возбуждения; ДС ДТЯ ДЭ ДТВ - соответственно датчики скорости тока якоря э.д.с тока возбуждения; СФИЯ СФИВ - системы фазово- импульсного управления ВПЯ и ВПВ; БВМ- блок выделения модуля; ЭО - элемент ограничения
При анализе работы схемы целесообразно выделить три режима:
Скорость для всех трех режимов определяется общим заданием - на входе регулятора скорости. - задание по э.д.с - величина постоянная соответствующая номинальной э.д.с. Регуляторы тока РТЯ и РТВ - пропорционально интегральные; регулятор э.д.с - интегральный; регулятор скорости PC - пропорциональный или пропорционально -интегральный.
Режим 1. В этом случае задание по скорости меньше величины соответствующей номинальной скорости. Напряжение на якоре меньше номинального. Э.д.с двигателя меньше номинальной. Сигнал с датчика э.д.с. меньше Uзэ поэтому на входе РЭ всегда присутствует положительный разностный сигнал приводящий РЭ в режим насыщения (или ограничения ЭО). Т.е. на выходе РЭ имеет место постоянный максимальный сигнал соответствующий заданию номинального тока возбуждения. Таким образом в первой рабочей зоне идет регулирование напряжением якоря при номинальном токе возбуждения.
Режим 2. Это предельный режим первой зоны регулирования когда выходной сигнал с ДЭ становится равным и на входе РЭ сигнал равен нулю. Однако выходной сигнал РЭ остается прежним равным заданию номинального тока возбуждения.
Режим 3. При дальнейшем увеличении ГЭД разгоняется немного выше номинальной скорости (за счет запаса по напряжению ВПЯ). При этом э.д.с. двигателя становится немного больше номинальной и входной сигнал на РЭ становится отрицательным что приводит вследствие интегральных свойств РЭ к уменьшению его выходного напряжения т.е. задания по току возбуждения. Это приводит к уменьшению тока возбуждения ослаблению потока ГЭД и увеличению его скорости. Процесс увеличения скорости будет идти до тех пор пока новое значение скорости не будет соответствовать новому значению . При соответствии этих двух величин э.д.с. двигателя станет равной номинальному значению а разностный сигнал на входе РЭ - нулю. Тогда выходной сигнал РЭ перестанет изменяться и будет соответствовать меньшему значению тока возбуждения.
Таким образом во второй рабочей зоне ( > н.) регулирование скорости идет за счет изменения тока возбуждения при постоянной э.д.с ГЭД.
Расчет контура регулирования тока возбуждения.
Структурная схема системы с зависимым управлением потоком возбуждения показана на рисунке 9.15.
Рисунок 9.15 – Структурная схема системы с зависимым управлением потоком возбуждения
Так как контур регулирования потока содержит большую постоянную времени и
малую то применяется настройка по модульному оптимуму. Передаточная функция ПИ-регулятора возбуждения
где Rв - сопротивление цепи возбуждения;
Kф - коэффициент наклона кривой намагничивания.
Передаточная функция разомкнутого контура регулирования потока возбуждения
Асимптотический ЛАЧХ рахомкнутого контура приведены на рисунке 9.16.
Рисунок 9.16 – ЛАЧХ разомкнутого контура возбуждения
- соответственно ЛАЧХ регулятора возбуждения разомкнутого контура и объекта
Величины и входящие в передаточную функцию объекта регулирования
являются функциями потока т.е. зависят от рабочей точки ГЭД. Но отношение следовательно базовая частота равна
Базовая частота определяет положение участка ЛАЧХ с наклоном 20 дбдек. Поэтому при выбранной по уравнениям постоянной времени РВ частота среза разомкнутого контура регулирования c= const.
Смещение ЛАЧХ в низкочастотной зоне (заштрихованная зона) при изменении практически не меняет настройку контура. Принимая во внимание что как правило
выполняется условие для РВ возможно применение П-регулятора с передаточной функцией:
При этом система имеет статическую ошибку:
Передаточная функция замкнутого контура будет
Регулирование тока возбуждения. Линеаризация контура регулирования потока
Непосредственное измерение потока возбуждения для получения сигнала обратной связи затруднительно. Поэтому сигнал пропорциональный потоку обычно получает косвенным способом измеряя т.е. на структурной схеме подключенные цепи обратной связи переносят из точки с параметром Ф в точку с параметром . В соответствии с правилами преобразования структурных схем если точка подключения обратной связи переносится в точку до звена то для сохранения настройки системы относительно потока необходимо это звено включить в цепь обратной связи (рисунок 9.17).
Рисунок 9.17 – Структурная схема ГЭД. Регулирование тока возбуждения
В канале обратной связи имеется нелинейное звено которое называется датчиком потока ( - коэффициент передачи потока).
Реализация этого звена осуществляется с помощью операционного усилителя в обратную связь которого включен функциональный преобразователь (ФП) и конденсатор .
Рисунок 9.18 – Датчик тока
ФП представляет собой нелинейное сопротивление. Нелинейный коэффициент передачи датчика потока воспроизводит т.е. кривую намагничивания а параллельно включенные ФП и - действие вихревых токов.
Передаточная функция регулятора возбуждения определится выражением
а передаточная функция замкнутого контура регулирования тока возбуждения будет иметь вид
Передаточная функция замкнутого контура относительно потока возбуждения определится как
Если ФП в канале обратной связи отсутствует то контур регулирования потока возбуждения становится нелинейным т.к. при уменьшении Ф увеличивается и снижается базовая частота
Это приводит при выбранных постоянных параметрах РВ к смещению участка ЛАЧХ с наклоном 20 дбдек уменьшению частоты среза c разомкнутого контура и следовательно к снижению быстродействия.
Запас по напряжению ВПВ.
Чтобы обеспечить применение потока со скоростью соответствующей заданной величине ускорения (d dt) ВПВ должен иметь определенный динамический запас по напряжению.
Напряжение на обмотке возбуждения в переходном режиме будет
где 2р - число пар полюсов w — число витков одного полюса.
Udв принимает максимальное значение в режиме увеличения потока при подходе к точке со стороны т.е. во второй рабочей зоне. В этой зоне э.д.с двигателя постоянна.
Подставив определенное из (9.68) в (9.69) получим:
Запас по напряжению характеризуется коэффициентом форсировки:
где - номинальное напряжение обмотки возбуждения;
- средняя постоянная времени цепи возбуждения в номинальной точке.
Расчет контура регулирования э.д.с двигателя и его линеаризация
В качестве регулятора э.д.с (РЭ) применяют И-регулятор т.к. контур не содержит больших постоянных времени.
Передаточная функция И-регулятора будет
где - коэффициент передачи канала обратной связи по э.д.с.
Зависимость передаточной функции объекта от скорости обуславливает нелинейность контура регулирования э.д.с. Вследствие этого при выбранных постоянных времени (10.29) РЭ настройка контура будет оптимальной только при одном значении . При больших скоростях контур будет более колебательным при меньших - наоборот.
Передаточную функцию РЭ (10.29) можно представить так
Из (9.70) следует что для линеаризации контура регулирования э.д.с обеспечивающей сохранение оптимальной настройки во всем диапазоне необходимо последовательно с РЭ включить звено которое бы делило выходной сигнал W'pэ на величину пропорциональную скорости. Вместо делительного устройства может быть применено множительное (МУ) которое умножает сигнал на 1.
Во второй рабочей зоне Ед = с'Ф = const = Eдн .
Из структурной схемы
На рисунке 9.19 представлена функциональная схема регулирования контура потока в системе двухзонного регулирования скорости ГЭД.
Рисунок 9.19 – Контур регулирования тока возбуждения
Линеаризация контура регулирования скорости при двухзонном регулировании.
При регулировании потока ГЭД становится нелинейным и контур регулирования скорости из-за зависимости передаточной функции объекта от потока Ф.
При выбранных постоянных параметрах регулятора скорости (PC) настройка контура будет оптимальной лишь при одном (настроечном) значении Ф. В системе с П-регулятором скорости по мере ослабления потока быстродействие контура уменьшается а статическая ошибка при приложении момента возрастает. В системе с ПИ-регулятором ослабление потока оказывает влияние лишь на динамические показатели; при скачке задания возрастает колебательность. В тех случаях когда диапазон изменения со достаточно велик или требуется сохранить неизменными динамические и статические показатели системы в зоне работы с ослабленным потоком контур регулирования скорости линеаризуют путем включения последовательно с PC звена компенсирующего изменение Ф. Для компенсации изменения Ф необходимо умножить выходной сигнал PC на сигнал пропорциональный 1Ф.

4) Заключение.docx

Электродвижение судов одно из перспективных направлений развития современного судостроения особенно для определенного вида судов (ледоколы паромы).
По сравнению с гребными установками других типов ГЭУ имеют две следующие характерные особенности: отсутствие жесткой механической связи между валами первичных двигателей и движителей и большое число факторов влияющих на выбор оптимальных параметров установки. Эти особенности дают возможность при проектировании подавлять отрицательные и усиливать положительные стороны ГЭУ.
Удобством управления обслуживания и контроля ГЭУ значительно превосходят энергетические установки других типов. Этому обстоятельству в большой мере способствуют хорошо отработанные методы автоматического измерения и контроля применяемые в практике электрических станций.
Питание вспомогательных электромеханизмов от шин электродвижения успешно применяется на многих ГЭУ переменного тока. При этом уменьшается расход топлива на вспомогательные нужды благодаря более высокому КПД главных генераторов. В некоторых случаях можно снабжать электроэнергией судовые потребители при стояночных режимах (землечерпалки землесосы спасательные и пожарные суда плавучие краны) от главных генераторов электрохода а также подавать электроэнергию на другие суда и на береговые объекты во время проведения спасательных работ и других мероприятий и операций.
Данное учебное пособие предназначено для изучения курса “Гребные электрические установки” студентами специальности “Электро оборудование и автоматика судов” и кораблестроительных специальностей.

Плакаты.dwg

Рисунок 2 - Относительный момент ветроколеса
Рисунок 5 - Работа лопастей крыльчатого движителя
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-02-12
Крыльчатый движитель
Рисунок 2 - Пример расположения крыльчатого движителя на судне
Рисунок 1 - Крыльчатый движитель
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-01-12
Подруливающие устройства
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-04-12
Компоновка оборудования
Рисунок 1 -Структурная схема ГЭУ ледокола Арктика
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-05-12
Примеры схем главного тока судов
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-07-12
Единая энергетическая установка ледокола
Рисунок 2 Главная энергетическая установка
Рисунок 3 - Принцип работы лопастей движителя
Рисунок 4 - Путь лопасти
Рисунок 6 - Буксир с движителем
установленным в носовой части судна
-- носовое ПУ; 2 -- кормовое ПУ. Рисунок 1 - Размещение ПУ на судне
а -- общий вид установки на судне с ВРШ; б -- схемы размещения каналов КПУ в обход валопровода. 1-- выше туннеля валопровода; 2 -- ниже туннеля валопровода. Рисунок 2 - Установка кормового ПУ на судне
Рисунок 3 - Одноканальные ПУ: а- с гребным винтом; б - с крыльчатым движителем.
Рисунок 4 - Двухканальные ПУ одностороннего действия
Рисунок 5 - Установка на судне двухканального ПУ двухстороннего действия
Рисунок 6 - ПУ с каналом Т-образной формы и заслонками.
Рисунок 7 - Ложкообразный вырез для снижения дополнительного сопротивления на ходу судна: а - коническое сопряжение; б - плавное сопряжение; в-форма выреза.
Рисунок 8 - Устройства для закрытия каналов ПУ: а - заслонки; б - жалюзи.
Рисунок 1- Функциональная схема ГЭУ
Рисунок 2 - Схема расположения ГЭУ портового ледокола
Рисунок 2 - Структурная схема главного тока ЕЭЭУ пассажирского судна
Рисунок 4 -Структурная схема главного тока ЕЭЭУ рудовоза-контейнеровоза
Рисунок 3 -Структурная схема ЕЭЭУ гребной электрической установки с пропульсивной системой Азипод
Рисунок 1 Судовая электроэнергетическая установка
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-06-12
Структурная схема Морского буксира
Рисунок 1 - Структурная схема ЕЭЭС с ГЭУ с общим входом питания ПЧ. Вариант 1.
Рисунок 3 - Структурная схема ЕЭЭС с ГЭУ с развязкой входов питания выпрямителей ПЧ. Вариант 3.
Рисунок 2- Структурная схема ЕЭЭС с гальванически развязанными каналами управления ГЭД и двойным использованием ПЧ. Вариант 2.
МД-НГТУ-140600-(М10-ЭОС)-03-12
Характеристики гребного винта и первичных двигателей
Рисунок 1 - Силы действующие на винт
Рисунок 2 - КПД винта
Рисунок 3 - Характеристики гребного винта
Рисунок 4 - Характеристики винтов (швартовые и при ходе в свободной воде)
а - скоростные; б - регуляторные; в - нагрузочные Рисунок 5 - Характеристики дизеля:
Рисунок 6 - Нагрузочные характеристики дизеля

5) Список литературы.docx

Андреев А.И. Кузнецов Н.А. Хавензон Е.Г. «Гребная электрическая установка с отбором мощности». – Л.: Судостроение 1979.
Горбунов Б.А. Савин А.С. Сержантов В.В. «Современные и перспективные ГЭУ судов». – Л.: Судостроение 1979.
Гребные электрические установки. Справочник Айзенштадт Е.Б. Гилерович Ю.М. Горбунов Б.А. Сержантов В.В. – Л.: Судостроение 1985.
Жежеленко И.В. «Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий». – М .: Энергия1984.
«Методические указания по выполнению расчетной части. Охрана труда». – Горький: ГПИ 1984.
Рукавишников С.Б. «Автоматизированные гребные электрические установки». – Л: Судостроение 1976.
«Справочник по преобразовательной технике». Под ред. Чиженко И.М Н Техника 1978.
Судостроение. Журналы.
Юдин В.В «Расчет режимов работы СГ при выпрямительной нагрузке». Методические указания. – Горький.: ГПИ 1984.
Российский Морской Регистр «Правила технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов». – Санкт – Петербург 2007