Достоинства установок переменного тока:
1. Простота и надежность машин переменного тока и, как следствие, легкость обслуживания установок. Щеточный аппарат синхронных машин не вызывает затруднений при эксплуатации. Из опыта эксплуатации электроходов постоянного тока вытекает, что основной объем профилактических ремонтов связан с уходом за коллекторами и щеточным аппаратом главных электрических машин. Сопротивление изоляции машин постоянного тока трудно поддерживать в пределах нормы, так как загрязнение внутренних полостей машины угольной пылью приводит к снижению сопротивления изоляции.
На новейших электроходах применяются бесщеточные синхронные генераторы. В этих машинах требуют ухода только подшипники. Таким образом, возможности для сокращения обслуживающего персонала на электроходах переменного тока больше, чем на судах с ГЭУ постоянного тока.
2. Возможность применения более высокооборотных генераторных aгрегатов. Частота вращения синхронных генераторов ограничивается механической прочностью ротора и подшипников. Турбогенераторы имеют номинальную частоту вращения 3500 /мин. Частота вращения дизель-генераторов переменного тока ограничивается только предельной частотой вращения дизелей.
Выбор частоты вращения генератора постоянного тока связан не только с возможностями первичного двигателя, но и с необходимостью обеспечения безыскровой работы коллектора.
На атомоходе ТЗА приводит во вращение четыре генератора постоянного тока с номинальной частотой вращения 595 об/мин, причем наличие зубчатой передачи между турбиной и генераторами увеличивает массу, стоимость, габариты и снижает надежность и к.п.д. установки.
3. Возможность практически безгранично увеличивать единичную мощность генераторного агрегата.
Получение больших мощностей облегчается возможностью применения высоких напряжений на статоре генератора переменного тока, так как при этом уменьшается масса меди обмотки статора и соответственно уменьшаются потери в меди. Допустимое напряжение в ГЭУ переменного тока по Правилам Регистра не должно превышать 7500 В, а в установках постоянного тока 1200 В.
4. Меньшая масса генераторов и гребных электродвигателей. Сравнивая массу синхронных машин и машин постоянного тока одинаковой мощности и частоты вращения, можно заметить, что масса синхронных машин на 35% меньше. Последнее объясняется отсутствием коллектора и применением более высокого напряжения. Использование в будущем синхронных машин сверхвысокой проводимости, работающих при охлаждении до -269 °С, позволит в несколько раз уменьшить массу и габариты ГЭУ.
5. Более высокий к. п. д. Отсутствие коллектора уменьшает потери на трение и потери в щеточном контакте, а применение высокого напряжения — потери в меди установок переменного тока. Отсюда к. п. д. машин переменного тока большой мощности достигает 98%, а к. п. д. машин постоянного тока — 95%. Следует отметить, что применение высоких напряжений в ГЭУ переменного тока позволяет значительно снизить массу кабеля и уменьшить потери в электропередаче от генератора к ГЭД.
6. Меньшая стоимость. Стоимость машин и аппаратуры переменного тока ниже, чем машин и аппаратов постоянного тока, вследствие меньшей массы и габаритов, менее сложной конструкции и технологии производства. Стоимость, габариты и масса распределительных щитов переменного тока несколько выше, чем постоянного, что объясняется их сложностью, большим количеством аппаратов и контрольно-измерительных приборов.
7. Более широкие возможности отбора мощности для вспомогательна нужд через трансформаторы. В современных ГЭУ переменного тока применяются синхронные ГЭД с ВРШ и две системы шин для собственных нужд и электродвижения. Это позволяет использовать единую станцию. Наличие на специализированных судах — контейнеро- и лихтеровозах потребителей большой мощности, таких, как мостовые краны, подруливающие устройства и др., приводит к увеличению мощности судовой электростанции до 25 % от мощности главного двигателя.
Поэтому применение ГЭУ переменного тока с единой станцией для движения и собственных нужд может дать значительный экономический эффект. Наиболее перспективными и экономически выгодными могут оказаться ТЭГУ переменного тока с газотурбогенераторами и синхронным ГЭД и с ВРШ.
Достоинства установок постоянного тока:
1. Меньшее время реверса ВФШ на полном ходу судна. Время реверса ГЭД в ГЭУ постоянного тока на полном ходу судна составляет 3 — 8 с. Это объясняется возникновением большого тормозного момента в режиме генераторного торможения и противовключения. Вся система автоматического регулирования должна снизить тормозной момент до безопасного значения, а ток — до значения, не превышающего трех номинальных, при котором срабатывает максимальная защита.
При перекладке лопастей ВРШ для реверса хода судна на винте возникает большой тормозной момент, который может превысить перегрузочную способность синхронного ГЭД. Для повышения перегрузочной способности снижается частота сети и форсируется возбуждение генераторов, т. е. создаются условия для повышения момента ГЭД. В ГЭД переменного тока с ВРШ время реверса с полного хода судна значительно больше, чем в ГЭУ постоянного тока.
2. Простота дистанционного управления. На большинстве электроходов постоянного тока применяется система генератор — двигатель, причем регулирование частоты вращения ГЭД производится изменением значения тока возбуждения возбудителей генераторов, а реверсирование - изменением направления тока возбуждения возбудителя генераторов или ГЭД. Реостаты возбуждения возбудителей встроены в посты управления, рукоятка поста связана с ползунком реостата, и этим обеспечивается дистанционное управление установкой. Посты управления размещают в наиболее удобных местах и обеспечивают их взаимозаменяемость.
На современных ГЭУ переменного тока с ВРШ также используется дистанционное управление, однако схемы значительно сложнее, чем в ГЭУ постоянного тока, так как управление связано с регулированием частоты вращения дизеля и форсированием возбуждения генераторов.
3. Возможность регулирования частоты вращения ВФШ при неизменной частоте вращения первичных двигателей. На электроходе постоянного тока можно получить (снижением напряжения генераторов) устойчивую малую частоту вращения ГЭД — до 5% номинальной. На электроходе переменного тока с ВФШ минимальная частота вращения ГЭД ограничивается минимальной частотой вращения первичного двигателя и составляет 25 — 30%. На электроходе переменного тока с ВРШ перекладкой лопастей и изменением упора винта получают любые скорости хода судна.
4. Обеспечение полной загрузки работающих генераторных агрегатов в промежуточных режимах (часть генераторов отключена). Для обеспечения или малого хода можно отключить часть генераторов.
В ГЭУ постоянного тока оставшиеся в работе генераторы могут загружаться полностью путем ослабления магнитного потока ГЭД, о чем будет подробно сказано ниже, в разделе втором. В ГЭУ переменного тока с ВФШ напряжение, подаваемое на ГЭД, при отключении части генераторов не изменится и работающие генераторы окажутся перегруженными. Для снятия перегрузки приходится уменьшить частоту вращения генераторов, частоту тока и частоту вращения ГЭД, при этом работающие генераторы окажутся недоруженными. На рис. 1 приведены зависимости мощности гребного винта Рв и дизеля от частоты вращения. Характеристики 1, 2, 3, 4 можно рассматривать как характеристики четырех дизелей, каждый из которых обеспечивает 25 % мощности установки при 100 %-иой скорости судна.
Рис. 1. Характеристики гребного винта и дизеля в промежуточных режимах
Мощность синхронного генератора изменяется пропорционально частоте вращения, и эти же характеристики можно рассматривать как зависимость мощности генераторов от частоты вращения. Итак, в точке А работают все четыре дизель-генератора и обеспечивается 100%-ная частота вращения винта. В точке В работают три дизель-генератора при мощности около 64 % и частоте вращения винта 87 %, в точке С — два генератора при мощности 35 % и частоте вращения винта 70%. В точке Д работает один генератор, мощность 13%, а частота вращения винта 50%. Для сравнения приведены точки, характеризующие работу дизель-генераторов постоянного тока: трех - В2, двух — С2 и одного — Д2.
При этом дизель-генераторы загружены полностью соответственно на 75, 50 и 25% полной мощности установки, а частота вращения гребного винта выше, чем в установке переменного тока с ВФШ, и составляет 91, 78 и 63%.
В ГЭУ переменного тока с ВРШ в промежуточных режимах оставшиеся в работе дизель-генераторы загружаются полностью при соответствующем изменении шага винта и силы упора.
5. Возможность использования на гребном валу полной мощности в режиме от швартовного до полного хода в свободной воде. В ГЭУ постоянного тока применяется система автоматического регулирования, воздействующая на напряжение генераторов и магнитный поток ГЭД, которая позволяет при резком изменении нагрузки на гребном валу поддерживать такое соотношение частоты вращения и вращающего момента, чтобы их произведение оставалось постоянным, т. е. сохранялась постоянная нагрузка первичных двигателей.
В переходных режимах система автоматического регулирования поддерживает безопасное значение тока. Кроме того, ГЭУ постоянного тока выдерживают кратковременную остановку двигателя под током при заклинивании винта. Все эти качества делают ГЭУ постоянного тока наиболее приемлемой для работы в ледовых условиях.
ГЭУ переменного тока с ВРШ путем изменения шага винта позволяет поддерживать постоянство мощности при изменении нагрузки на винтер
После заклинивания винта и установки шага нулевого упора возможен запуск ГЭД. Однако в условиях быстрого колебания нагрузки при качке судна и дифференте автоматическое управление шагом винта не может обеспечить защиту от перегрузки ГЭУ и ход необходимо уменьшить.
ГЭУ переменного тока с ВФШ не поддерживают постоянства мощности и требуют снижения скорости хода судна в штормовую погоду.
ГЭУ двойного рода тока можно подразделить на установки с неуправляемыми выпрямителями и установки с тиристорами. В установках первого типа регулирование частоты вращения ГЭД производится изменением напряжения синхронного генератора и отбор мощности от шин электродвижения для собственных нужд невозможен.
В установках второго типа напряжение и частота тока синхронного генератора неизменны и отпадает необходимость специальной станции собственных нужд. Регулирование частоты вращения ГЭД производится изменением напряжения на выходе тиристорного преобразователя, а реверсирование — изменением направления тока возбуждения ГЭД.
Применение ГЭД двойного рода тока позволяет сочетать экономические и эксплуатационные достоинства генератора переменного тока с маневренными преимуществами ГЭД постоянного тока:
1. Возможность применения экономичных и высокооборотных первичных двигателей (паровых и газовых турбин) практически неограниченной мощности при непосредственном сочленении с генератором, что приводит к уменьшению массы, габаритов установки и создает дополнительное удобство для размещения.
2. Возможность применения синхронных генераторов повышенной частоты и напряжения, что позволяет уменьшить массу и габариты, а также пульсации выпрямленного напряжения.
3. Повышение надежности ГЭУ благодаря использованию бесщеточных синхронных генераторов; уменьшение эксплуатационных расходов и повышение к. п.д.; возможность сокращения штата электрогруппы.
4. Возможность использования нерегулируемых и нереверсивных первичных двигателей и автоматического поддержания постоянства мощности; использование всех достоинств гребного электродвигателя постоянного тока: хорошие регулировочные, перегрузочные и реверсивные качества.
5. Возможность отбора мощности от шин электро движения для собственных нужд путем создания ГЭУ с единой станцией.
6. Использование бесконтактной, малогабаритной, надежной полупроводниковой техники с обеспечением максимально возможного быстродействия.
Перечисленные достоинства умаляются потерями мощности в электропередаче, что характерно для ГЭУ всех типов. ГЭД постоянного тока требует наблюдения и ухода. Наличие мощных полупроводниковых преобразователей увеличивает массу и стоимость установки. При работе тиристорных преобразователей искажается синусоидальная форма кривой напряжения сети, для уменьшения этого влияния на стороне схемы переменного тока устанавливаются дроссели, что также увеличивает массу стоимость.
Пульсации выпрямленного напряжения увеличивают потери в стали ГЭД и ухудшают условия коммутации. Для уменьшения пульсаций на стороне схемы постоянного тока также устанавливаются дроссели.
