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.

Конструкция и эксплуатация главных электрических машин на судне

Главные генераторы и ГЭД, как и все электрооборудование морского исполнения, должны надежно работать в условиях постоянной вибрации корпуса и частых сотрясений при ударах о лед, повышенной температуры и влажности окружающего воздуха, длительной качки судна, крена и дифферента. Значения этих величин, характеризующих условия работы электрооборудования на судах, установлены Правилами Регистра. Исполнение корпуса главных электрических машин должно обеспечивать надежную работу при наличии в окружающем воздухе паров воды, масла и топлива, а также при попадании на корпус брызг.

Главные генераторы постоянного тока в большинстве своем создаются на базе машин серийного исполнения, так как подобные дизель-генераторы устанавливаются на тепловозах. Морское исполнение предусматривает некоторые конструктивные изменения и снижение номинальной мощности для увеличения срока службы.

Сердечники якоря и главных полюсов изготавливают из листовой электротехнической стали, сердечники дополнительных полюсов — из литой стали. На главных полюсах размещается независимая обмотка, которая получает питание от возбудителя. В некоторых случаях на главных полюсах находится размагничивающая обмотка, включенная последовательно с обмоткой якоря.

Системы автоматического регулирования ГЭУ постоянного тока

Регулирование частоты вращения ГЭД, реверсирование, получение механических характеристик определенного вида, сглаживание бросков тока в переходных режимах производятся изменением токов возбуждения генераторов и ГЭД. Обмотки возбуждения получают питание от возбудителей, а регулирование производится в цепях возбуждения возбудителей.

В ГЭУ постоянного тока в зависимости от принципов регулирования и управления применяются системы неизменного напряжения, неизменного тока и система генератор — двигатель (Г — Д).

Система неизменного напряжения. Применяется в установках малой мощности, где от генераторов, работающих в параллель, получают питание гребные электродвигатели и другие потребители. В качестве генераторов применяются компаундные машины, которые поддерживают постоянство напряжения на шинах при изменении нагрузки.

Характеристика и требования к ГЭУ постоянного тока

Первичными двигателями генераторов постоянного тока обычно бывают дизели с частотой вращения 700—1500 об/мин и мощностью 800 — 2400 кВт. Такая установка носит название дизель-электрической гребной установки. Так как мощность дизель-генератора ограничена, на гребной электродвигатель подается суммарная мощность нескольких генераторов при последовательном соединении машин. Наиболее распространена схема регулирования ГЭУ по системе генератор — двигатель.

По Правилам Регистра дизели должны допускать работу с перегрузкой не менее 10% номинальной мощности в течение 1 ч. Дизель должен иметь топливный регулятор, не допускающий превышения частоты вращения более чем на 10%; при этом должна снижаться подача топлива, однако остановка дизеля не допускается. 

Остановка дизеля (отсечка топлива) должна производиться при превышении расчетной частоты вращения более чем на 20%. Для запуска дизеля используется воздушный или стартерный пуск. На большинстве дизель-электроходов используется воздушный пуск, а на буксирах-спасателях типа «Атлант» и «Голиаф» — стартерный, причем стартером служит генератор в режиме сериесного двигателя. Напряжение на выводах генератора или ГЭД, а также между двумя любыми точками главной цепи не должно превышать 1200 В. Напряжение цепей возбуждения, управления, сигнализации и защиты не должно превышать 220 В.

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.

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.

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.

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.