Гребные электрические установки двойного рода тока с управляемыми выпрямителями

Основное преимущество ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями состоит в возможности использования единой судовой электростанции для питания ГЭД через управляемый выпрямитель (система УВ — Д) и питания остальных потребителей судна.

На современных судах количество и мощность потребителей электроэнергии увеличиваются, причем мощность судовой электростанции становится соизмеримой с мощностью тепловых двигателей, приводящих в действие гребные винты. На судах большинства типов потребление электроэнергии на ходу судна значительно меньше, чем на стоянке при производстве грузовых операций. Бывают режимы, когда максимальный расход электроэнергии приходится на время малого хода судна, что характерно для рыбопромысловых судов. ГЭУ с единой электростанцией и ГЭД, включенным по системе УВ — Д, позволяют уменьшить число агрегатов и размеры машинного отделения, обеспечивают полную загрузку генераторных агрегатов на ходу и на стоянке, обладают высокой живучестью и надежностью.

Генераторы работают на шины ГРЩ при неизменной частоте и напряжении. Частота вращения ГЭД постоянного тока регулируется изменением напряжения на выходе управляемого выпрямителя (УВ), а реверс осушествляется переключением обмотки возбуждения ГЭД.

Количество судов с использованием ГЭУ с единой электростанцией и ГЭД, включенным по системе УВ — Д, с каждым годом увеличивается. Такие установки представлены судами различных типов: ледоколами, паромами, цементовозами, траулерами, научно-исследовательскими судами и т. п.

Перспективы развития гребных электрических установок

Развитие ГЭУ и их широкое применение на судах задерживаются из-за большой массы и стоимости всего оборудования энергетической установки судна. В настоящее время во многих странах создаются опытные образцы электрических машин сверхпроводимости, которые работают при температурах, близких к абсолютному нулю, и позволяют, уменьшая омическое сопротивление обмоток, снизить массу и габариты электрических машин в 4-6 раз.

В США проводятся испытания синхронного генератора сверхпроводимости мощностью 5 тыс. кВ-А, продольный разрез которого приведен на рис. 1. Машина имеет такой же внешний вид и габариты как обычный генератор на 1,2 тыс. кВ-А. Специалисты считают, что максимальная мощность может достигнуть 15 тыс. кВ-А. Приблизительная масса составляет 4500 кг, длина около 2,9 м, диаметр 1,2 м, напряжение 4160 В, ток возбуждения 890 А, к. п. д. 98,5%.

Рис. 1. Продольный разрез генератора сверхпроводимости мощностью 5 тыс. кВ-А

Жидкий гелий при температуре -269 °С подводится по оси ротора через трубопровод 11 из нержавеющей стали, поток охлаждающего гелия 13 проходит внутри ротора через обмотку 4, стальной экран 5, мимо обмоток статора 14, смешивается и выходит в виде газа и жидкости через трубопровод. 6. Ротор вращается в подшипниках 2 и 8 и соединительной муфтой 1 приводится во вращение от первичного двигателя. Питание на обмотку возбуждения подается через щетки и кольца 9 и подводящий кабель 7, ввод возбуждения производится через выводы 12. Вращающий момент от первичного двигателя к ротору передается через массивную муфту 3. Утечка жидкого гелия передается в систему 10.

Преимущества и недостатки дизель-электрической гребной установки

В современном мировом транспортном флоте наибольшее распространение получили суда с дизельным приводом гребного винта, а среди электроходов - ГЭУ постоянного тока. Для выявления преимуществ и недостатков тех и других установок следует сделать сравнение дизель-электроходов постоянного тока и теплоходов. В результате длительной эксплуатации электроходов выявлены преимущества ГЭУ постоянного тока по сравнению с теплоходами.

1. Возможность автоматизации гребной установки. На всех электроходах применяется дистанционное управление с нескольких мест, автоматически поддерживается постоянство мощности при изменении нагрузки на винте, применяются всевозможные автоматические системы защит и контроля за нарушением нормального режима эксплуатации. В конечном счете на электроходе проще осуществить комплексную автоматизацию всех производственных процессов в машинном отделении.

В последние годы на теплоходах используется дистанционное автоматизированное управление дизелем ДАУ и автоматическое управление процессами в машинном отделении, однако все это удалось осуществить на определенном уровне развития электроники и автоматики. Отбор мощности на уровне, близком к 100%, при изменении скорости судна возможен на теплоходе при использовании ВРШ.

Сравнение ГЭУ переменного, постоянного и двойного рода тока

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.

Качественные показатели гребных электрических установок

Классификация ГЭУ. ГЭУ различаются по типу первичного двигателя и способу получения электроэнергии. По типу первичного двигателя ГЭУ подразделяются на дизель-электрические (ДЭГУ) и турбоэлектрические (ТЭГУ), причем последние могут быть с паровыми или газовыми турбинами. На малых судах, работающих в акватории порта, находят широкое применение ГЭУ с аккумуляторным питанием, которые гарантируют незагрязнение среды.

В отдельных случаях используются комбинированные ГЭУ, где гребной винт приводится во вращение не только электродвигателем, но и тепловым двигателем. Самой мощной установкой такою типа является ледокол «Полар Стар», построенный в США в 1974 г. Расположение элементов установки этого ледокола показано на рис. 1. Водоизмещение ледокола 12,5 тыс. т. Три ВРШ могут приводиться во вращение от трех ГЭД постоянного тока 1 мощностью по 4500 кВт, напряжением 900 В при частоте вращения 105 — 130 об/мин. ГЭД получают питание через неуправляемые выпрямители от шести синхронных генераторов 4 мощностью по 2600 кВа.

Для вспомогательных нужд предусмотрено три синхронных генепатора мощностью по 937 кВа. Электродвижение осуществляется при работе двух генераторов на один ГЭД, при этом судно развивает ход 16 уз. В режиме электродвижения газовые турбины 3 редукторами 2 разобщаются от ГЭД. При работе судна в тяжелом льду запускаются газовые турбины мощностью по 19 тыс. кВт и через редукторы приводят во вращение винты; ГЭД в это время проворачиваются вхолостую.

Характеристики тепловых двигателей

Дизели. Для движения морских судов чаще всего используются двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия — дизели, так как по сравнению с остальными тепловыми двигателями они имеют наиболее высокий к. п.д. при сравнительно дешевом топливе. Мощность и частота вращения дизеля регулируются изменением количества подаваемого в цилиндры топлива и воздуха.

Зависимости момента вращения двигателя и эффективной мощности Р_е на валу от частоты вращения М_е=f₁(n_e), Р_е=f₂(n_e) при длительно допустимой наибольшей подаче топлива называются внешними характеристиками (рис. 1). Дизели допускают кратковременную перегрузку по мощности на 10% при увеличенной подаче топлива. Характеристики, соответствующие перегрузке, показаны штриховыми линиями, а характеристики, соответствующие меньшей подаче топлива,— сплошными и называются частичными характеристиками.

Механические характеристики гребного винта

Механической характеристикой гребного винта (ВФШ) называется зависимость вращающего момента от частоты вращения при неизменной скорости судна.

Подобные характеристики снимают опытным путем либо рассчитывают по данным гребного винта.

Полученные зависимости близки к квадратичным параболам. Каждой скорости судна соответствует своя кривая (рис. 1): 1 - зависимость вращающего момента (или момента сопротивления) от частоты вращения на полном ходу судна в свободной воде Мсв = f1(n), т.е. на гладкой поверхности воды без встречного ветра; 2 - одна из промежуточных характеристик Мпр = f2(n) при пониженной скорости судна вследствие ледовой обстановки или по другим причинам; 3 - швартовная характеристика гребного винта Мшв = f3(n) при неподвижном судне, т. е. если судно при работающем двигателе стоит во льду или пришвартовано; 4 — механическая характеристика при работе в шуге («ледяная каша») Мш = f4(n).

С увеличением скорости судна растет скорость встречного потока воды относительно корпуса. Встречный поток воды подкручивает винт, поэтому при номинальном вращающем моменте Л/н с увеличением скорости хода растет частота вращения винта, что ясно из сравнения характеристик на рис. 6. При работе гребного винта в шуге момент сопротивления может оказаться больше, чем при швартовном режиме, так как возрастает вязкость среды, в которой работает винт, и, следовательно, сила лобового сопротивления (см. рис. 3).

Элементы теории судна и гребных электрических установок

Движение судна и движители. Для движения судна необходимо иметь двигатель и движитель. Двигатель преобразует тепловую или электрическую энергию в энергию вращения вала. 

Движитель, используя вращение двигателя, создает силу, способную передвигать судно. Для передвижения по воде применяются движители различных типов: шест, весло, парус, гребное колесо, гребной винт, крыльчатый движитель, водомет и др. Наибольшее распространение: в настоящее время имеет гребной винт.

Сопротивление движению судна. Для приведения судна в движение к нему должна быть приложена в диаметральной плоскости движущая сила измеряемая в ньютонах (Н). При горизонтальном равномерном и прямо линейном движении со скоростью v (м/с) движущая сила будет равна сумме сил сопротивления движению R (Н). Мощность, необходимая для преодоления силы полного сопротивления, называется буксировочной мощностью. Буксировочная мощность измеряется в киловаттах (кВт) и определяется выражением: Р = Rv/1000.

Полное сопротивление движению судна состоит из сопротивления трения, вихревого и волнового сопротивлений и сопротивления воздуха.

Механические характеристики и автоматическое регулирование ГЭУ постоянного тока

При выборе мощности и частоты вращения гребного электродвигателя на основании гидродинамических расчетов строят механические характеристики гребного винта М = f (n).

Механическая характеристика зависит от загрузки судна и района плавания. При практических расчетах с достаточной степенью точности можно считать характеристики винтов аналогичными характеристикам вентиляторов:

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от сопротивления воды движению судна.

Обычно строят две характеристики гребного винта: 1 — при нормальной загрузке судна, 2 — при швартовных испытаниях (рис. 1).

Принципиальные схемы управления и основные характеристики ГЭУ

Обычно управление ГЭУ постоянного тока осуществляется по системе генератор — двигатель. На пультах управления размещают потенциометрические реостаты, воздействующие на значение и направление тока возбуждения генератора, что приводит к изменению частоты и направления вращения гребного электродвигателя.

Для питания электроэнергией цепей управления и обмоток возбуждения главного генератора и гребного электродвигателя применяют специальные источники постоянного тока — возбудители или выпрямители.

Различают централизованную, индивидуальную и комбинированную системы возбуждения. При централизованной системе цепи возбуждения электрических машин получают питание от независимых возбудителей, не связанных с главным генератором. Преимуществом этой системы является ее надежность, а также возможность ремонта отдельных возбудителей без перерыва питания цепей возбуждения.

Принципиальные схемы силовых цепей ГЭУ

Схема электрического соединения якорей главных генераторов и гребных электродвигателей называется схемой силовых цепей. Выбор принципиальной схемы силовых цепей зависит от количества генераторов и гребных электрических двигателей, работающих на один гребной вал.

В гребных электрических установках постоянного тока генераторы и двигатели могут независимо работать друг на друга, соединяться последовательно и параллельно, при этом последовательное соединение генераторов предпочтительнее, так так не требует тщательного согласования внешних характеристик. Кроме того, снижение частоты вращения одного из дизелей и вызванное этим уменьшение напряжения его генератора приводит к уменьшению тока, протекающего через генераторы, т. е. второй генератор разгружается, а не перегружается, как это наблюдается при параллельном соединении.

Схемы главного тока гребных электрических установок

На рис. 1 представлена наиболее типичная схема прохождения главного тока ГЭУ китобойного судна. ГЭУ работает на постоянном токе с применением четырех дизель-генераторов и двухъякорного гребного электродвигателя. Схема предусматривает переменно-последовательное включение якорей генераторов Г1—Г4 и якорей электродвигателя M1, М2. С помощью селекторных переключателей (на схеме их контакты П1—П12), установленных на щите ГЭУ, можно набрать 34 возможных варианта работы.

На рис. 1 схема собрана для работы генераторов Г1, Г2, Г3 на оба якоря электродвигателя. Переключателями можно набрать в схему любое число генераторов (от 1 до 4), причем в любом сочетании. При выходе из строя одного из якорей электродвигателя его можно выключить из схемы и вместо него включить перемычку (на схеме не показана). В таком состоянии можно работать с одним или максимум двумя генераторами в схеме. Набор схемы переключателями производится заранее; при отсутствии тока и на ходу дальнейшее переключение невозможно.

Гребные электрические установки. Особенности электропривода гребных винтов

Кроме механической передачи энергии от главного двигателя к гребному винту, на судах применяется электрическая передача. В этом случае главный двигатель вращает установленный на одном валу с ним электрический генератор. Вырабатываемая им электрическая энергия передается по кабельным сетям к гребному электродвигателю, который соединен непосредственно с гребным винтом. Основной особенностью электропривода гребных винтов является отсутствие жесткой связи между главным двигателем, вращающим генератор, и движителем (винтом), приводимым в движение гребным электродвигателем.

Механическая независимость главного двигателя и движителя создает ряд преимуществ строительного и эксплуатационного характера гребных электрических установок (ГЭУ) по сравнению с механической передачей.

Литература по автоматизированным гребным электрическим установкам (АГЭУ)

1. Васильев В.Н. Гребные электрические установки. – 2002.
2. Рукавишников С.Б. Автоматизированные гребные электрические установки. – 1983.
3. Сенков Г. И. Судовые энергетические установки, их эксплуатация и ремонт. – 1986.
4. Айзенштадт Е. Б., Гилерович Ю. М., Горбунов Б. А., Сержантов В. В. Гребные электрические установки: Справочник. – 1985.
5. Китаенко Г. И. Справочник судового электротехника в 3 – х томах. – 1980.
6. Акулов Ю.И. Гребные электрические установки. – 1982.
7. Сергиенко Л.И. Электрооборудование морских судов. – 1980.
8. Сержантов В. В., Спешилов В. С. Гребные электрические установки. – 1970.
9. Полонский В.И. Гребные электрические установки. – 1958.

Пуск и реверс СГЭД в асинхронном режиме

Синхронные ГЭД пускаются при невозбужденных генераторах замыканием включателей цепи главного тока с последующим включением или постепенным увеличением тока возбуждения генератора. Происходит асинхронный пуск. Для увеличения асинхронного момента в период пуска осуществляется форсировка возбуждения генератора. В ГЭУ допускается увеличение тока возбуждения генератора в 3-6 раз по отношению к току холостого хода. Когда ГЭД разгонится до подсинхронной частоты вращения, отличающейся от номинальной не более, чем на 5%,включают обмотку возбуждения ГЭД, которая под действием синхронизирующего момента входит в синхронизм. Форсировка возбуждения должна быть такой, чтобы при S=0.05 входной - момент превышал момент сопротивления на 25% независимо от типа гребной установки, системы возбуждения и степени автоматизации управления. Пуск производится включением ГЭД на невозбужденные генераторы.

Последовательность операций при пуске ГЭД от одного генератора:

1. Пускается турбо или дизель-генератор, который разгоняется до номинальной устойчивой частоты вращения.
2. При невозбужденном генераторе включаются аппараты цепи главного тока.
3. Включается обмотка возбуждения генератора или его возбудителя с необходимой форсировкой.
4. По достижении ГЭД подсинхронной частоты вращения подается питание на его обмотку возбуждения.
5. После вхождения ГЭД в синхронизм снижается возбуждение генератора.

При пуске двигателя от параллельно работающих, процесс пуска начинается с синхронизации генераторов при пониженной частоте и выравнивания ЭДС таким образом, чтобы между генераторами отсутствовали уравнительные токи. После синхронизации выключается возбуждение генераторов и при U=0 включается ГЭД, затем выполняются операции по п. 2-5.

Предварительная синхронизация и выравнивание напряжений необходимы для уменьшения уравнительных, реактивных токов и равномерного распределения нагрузки между дизелями в период пуска ГЭД.

Защита, блокировка, контроль, сигнализация, автоматизация АГЭУ

Защита АГЭУ

В АГЭУ предусмотрены следующие виды защиты:

- защита нулевая от самопроизвольного пуска ГЭД после срабатывания любой защиты,
- защита от перегрузок генераторов, работающая на звуковой и световой сигналы с выдержкой на время переходных процессов пуска и реверса ГЭД,
- защита максимальная токовая является защитой от токов КЗ, уставки защиты - выше пусковых токов ГЭД. срабатывают без выдержки времени на отключение генератора и на гашение его поля,
- защита дифференциальная установлена на ГЭД (мощность более 1000 кВт), срабатывает при небалансе токов при КЗ внутри контролируемого участка, включает гашение поля генераторов и отключает генераторные автоматы,
- защита от замыкания фазы на корпус, при срабатывании включает звуковой и световой сигналы.

Кроме того, предусмотрена защита от КЗ в отдельных цепях контроля и сигнализации от пробоя полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров) в цепях возбуждения.

Система возбуждения синхронного ГЭД

Основным видом источника питания цепей возбуждения в современных ГЭУ являются управляемые тиристорные выпрямители, подключаемые через согласующие и разъединительные трансформаторы на шины судовой электростанции (в автономных ГЭУ с отбором мощности). 

Для управления возбуждением предусматривают автоматизированную систему, позволяющую решать две основных задачи:

• поддержание требуемого запаса по синхронизирующему моменту в условиях изменяющейся нагрузки: интенсивное волнение, движение на мелководье или в битом льду и т.п.
• стабилизацию коэффициента мощности на максимально возможном уровне.

Функционирование схемы аналогично описанному для генератора. Отличия состоят в том, что суммирование сигналов по напряжению (от трансформатора ТН) и току (от трансформатора ТТ) выполнено в схеме фазочувствительного выпрямителя ФЧВ, благодаря чему МДС обмотки О У зависит не только от уровней напряжения и тока, но и от угла сдвига между ними. Подача питания на ОВД выполняется включением задающей обмотки ОЗ магнитного усилителя с пульта управления ГТУ. Четвёртая обмотка МУ (на схеме не показана) включена на трансформатор тока, установленный в цепь возбуждения ГЭД, и осуществляет гибкую отрицательную связь выхода системы возбуждения со входом МУ, т.е. выполняет роль демпфирующего звена, ослабляющее колебания и резкие изменения тока возбуждения ГЭД.

Тиристорная система возбуждения гребных генераторов

Для обеспечения устойчивых динамических режимов ГЭУ система возбуждения гребных генераторов предусматривает форсировку возбуждения на время пуска или реверса ГЭД. После пуска или реверса ГЭД в асинхронном режиме включается возбуждение, ГЭД втягивается в синхронизм, после чего форсированное возбуждение заменяется нормальным, повышая частоту вращения первичных двигателей, частоту тока (частоту вращения ГЭД) доводит примерно до 0,9 от номинальной, не перегружая машины на швартовной винтовой характеристике. В дальнейшем по мере разгона судна, частоту доводят до номинальной.

В статических режимах для обеспечения устойчивой работы ГЭД в условиях переменных нагрузок на винте система возбуждения генераторов должна автоматически увеличивать ток возбуждения при возрастании тока и наоборот, во избежание выпадения ГЭД из синхронизма при бросках момента и тока.

Этому требованию отвечает система возбуждения, работающая по принципу фазового компаундирования.

В отличие от систем самовозбуждения и фазового компаундирования в проекте предусмотрено автономное питание схемы возбуждения от шин СН, что исключает зависимость от частоты вращения самого генератора, а потому и более удобной в управлении, надёжной, маневренной в различных эксплуатационных условиях (маневры, частичные, динамические режимы при движении на волнении и т.п.).

Единая электроэнергетическая система судна (ЕЭЭС) из 3-х дизель - генераторов СГН 15-39-6, 1780 кВт

ЕЭЭС судна состоит из 3-х дизель - генераторов СГН 15-39-6, 1780 кВт. 3150 В, 1000 об/мин, включаемых автоматами А1. А2, АЗ на секционированную систему сборных шин ГЭУ, от которой через реверсивный переключатель ПР и автомат АМ получает питание гребной электродвигатель типа МСГ 295-25/50, 4960 кВт, 3420 В, 130 об/мин. Шины собственных нужд соединяются с шинами электродвижения с помощью шинных разъединителей ШР3 и ШР4. Шины ГЭУ секционированы шинными разъединителями ШР1 и ШР2.

В маневренных и стояночных режимах с большим потреблением электроэнергии собственных нужд (вспомогательные механизмы ГЭУ, возбуждение СГ и ГЭД, общесудовые потребители и т.п.) шины СН подсоединяются либо к секции генератора СП, либо к секции 0З, который в этом случае не работает на ГЭД. Последний подключают либо на секции 02-03 (01 на СН), либо на секции 01 – 02 (0З на СН). Это позволяет выполнять маневренные режимы ГЭУ не нарушая надёжного и бесперебойного электроснабжения всех судовых потребителей, в том числе и обслуживающих ГЭУ.

Преимущества ГЭУ переменного тока над постоянным. Системы СГ-СД и СГ-ТПЧ-СД (АД)

В мировой практике судостроения с электродвижением наметилась устойчивая тенденция преимущественного применения ГЭУ переменного тока. Такие установки находят применение на судах самого различного назначения: транспортных, пассажирских, наливных, промысловых, паромных, специальных (кабеле- и трубоукладчиках, спасательных, исследовательских и ледоколах). Причём на последних в течение многих десятилетий гребные двигатели постоянного тока считались незаменимыми. Внедрению ГЭУ переменного тока способствует ряд их преимуществ, которые проявились в полной мере лишь в условиях совершенствования полупроводниковой техники и средств автоматизации. Более высокая экономичность ГЭУ переменного тока достигается за счет лучших массогабаритных показателей, особенно для мощных установок при повышенном напряжении, меньшей строительной стоимости, на 2-3% более высокого КПД машин, а также за счёт более простой возможности компоновки единой электроэнергетической системы.

Немаловажным является также тот факт, что в ГЭУ переменного тока в большей степени возможно использование серийных электрических машин, с отработанной технологией их производства, отлаженными и проверенными в эксплуатации системами возбуждения и регулирования.
Современные ГЭУ переменного тока могут строиться по системе СГ-СД или СГ-АД, т.е. с непосредственным питанием ГЭД от синхронных генераторов, либо по системе СГ-ТПЧ-СД (АД), т.е. с преобразователями частоты тока.

Преимущества ГЭУ по системе СГ-ТПЧ-СД состоят в полной управляемости СД при неизменной частоте вращения генераторов. Однако дополнительные потери в тиристорных преобразователях частоты и нелинейные искажения формы синусоиды напряжения и тока, снижение коэффициента мощности, что особенно важно учитывать в единых ЭЭС, делают их преимущества не бесспорными. ГЭУ по системе СГ-СД проще, надёжнее и дешевле, чем в системе с ТПЧ, имеют выше КПД, обладают лучшими массогабаритными показателями, но требуют управления частотой вращения первичных двигателей, а в случае ЕЭЭС на время динамических режимов шины собственных нужд необходимо отделять от шин электродвижения.