Лекция №1 Введение
Электроэнергетические системы судов и кораблей (СЭЭС) включают в себя: тепловые двигатели, генераторы, электромашинные и статические преобразователи электроэнергии, средства распределения и передачи электроэнергии и т.д. Успешное функционирование таких систем невозможно без автоматизации процессов управления и регулирования.
Современный этап развития науки и техники следующим образом определяет основные тенденции развития СЭЭС и их систем управления:
1. Увеличение мощности электростанций и генераторных агрегатов, обусловленное:
внедрением атомной энергетики;
увеличением количества и мощности электроприводов технологических комплексов, вспомогательных механизмов;
повышением требований к обитаемости судов и кораблей (уровень освещенности, системы кондиционирования, комфорт личного состава и пассажиров).
Увеличение срока службы СЭЭС и повышение надежности обеспечения электроэнергией потребителей за счет применения новых принципов построения структурных схем СЭЭС.
Применение повышенных уровней напряжения и частоты.
Широкое использование полупроводниковой техники в силовых установках, системах защиты, контроля и автоматики.
Усовершенствование систем защиты, аппаратов защиты и токоограничения.
Повышение степени автоматизации СЭЭС, переход на новую элементную базу, внедрение программируемых логических контроллеров (ПЛК) и микропроцессоров.
Данный курс условно можно разбить на две части. В первой части рассматриваются общие принципы построения электроэнергетических систем и требования к качеству электроэнергии в установившихся и переходных режимах работы. Анализируются факторы, вызывающие отклонения показателей качества электроэнергии от их нормативных значений, и влияние этих отклонений на работу отдельных видов электрооборудования. Даются методы определения нагрузок и выбора основных элементов системы.
Вторая часть посвящена системам управления СЭЭС. В ней рассматриваются основные функции и принципы построения систем управления и защиты и особенности применяемого математического аппарата. Большое внимание уделено системам автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов и частоты вращения первичных двигателей, а также вопросам организации устойчивости параллельной работы.
Представленный материал содержит как традиционные принципы построения СЭЭС и систем управления, так и перспективные направления их развития.
СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
1. Общие положения
Судовой электроэнергетической системой (СЭЭС) принято называть систему, которая представляет собой совокупность электротехнических устройств, объединенных процессом производства, преобразования и распределения электроэнергии заданного качества, предназначенной для питания приемников. СЭЭС включает в себя источники электроэнергии, преобразователи, распределительные устройства, линии передачи и потребители электроэнергии. На рис. 1.1 представлена схема размещения основных потребителей электроэнергии на судне.
Рис. 1.1. Схема размещения основных потребителей электроэнергии на судне:
1 – главный распределительный щит; 2 – главный двигатель; 3 – механизм изменения шага винта; 4 – распределительный щит; 5 – рулевая машина; 6 – кормовой шпиль; 7 – буксирная лебедка; 8 – аварийная электростанция; 9 – распределительный щит сигнально-отличительных огней; 10 – радиорубка; 11 – грузовая лебедка; 12 – носовой шпиль; 13 – подруливающее устройство; 14 – гирокомпас; 16 – генераторная выгородка.
Часть СЭЭС, содержащую источники электроэнергии и главный распределительный щит (ГРЩ) – один из видов распределительных устройств, обычно называют судовой электростанцией (СЭС).
СЭЭС относится к автономным системам. Как любая автономная система, она имеет ряд особенностей по сравнению с береговыми электроэнергетическими системами. К ним в первую очередь относятся:
- соизмеримость мощности потребителей и источников;
- ограниченные мощности источников и, соответственно, потребителей;
- относительно небольшая протяженность линий передачи электроэнергии.
Данные отличия накладывают определенные условия, которые необходимо учитывать при разработке таких систем.
Каждая СЭЭС характеризуется конфигурацией, структурой, схемой электроснабжения, состоянием, режимами работы, параметрами и технико-экономическими показателями.
Конфигурация – топографически представленное (на виде сбоку и на плане судна) расположение входящих в нее электростанций, основных электрических трасс, преобразователей и некоторых потребителей (рис. 1.2).
Структура – плоскостная схема, содержащая генераторы электростанций, основные аппараты, приборы, преобразователи и электрические связи между этими элементами.
Рис. 1.2. Расположение элементов ГЭУ постоянного тока портового ледокола
Схема электроснабжения – схема распределения электроэнергии по потребителям.
В простых случаях структура энергосистемы может объединяться с системой электроснабжения и представляться в виде схемы получения и распределения электроэнергии.
Конфигурация, структура и схема электроснабжения СЭЭС определяются главным образом архитектурным типом судна, назначением судна, особенностями эксплуатации и обслуживания судна, а также типом силовой установки.
Состояния: нормальное – когда энергосистема обеспечивает производство электроэнергии нормального качества от основных или резервных источников и распределение ее по судовым потребителям при работе их в любом необходимом сочетании; аварийное – когда энергосистема обеспечивает производство электроэнергии требуемого качества от аварийных источников и распределение ее только по части судовых потребителей (ответственных или аварийного назначения), аварийным также будет и состояние, сопровождаемое недопустимым для нормальной работы отклонением показателей качества электроэнергии, отключением части работающих источников или потребителей.
Режимы работы: установившейся – характеризуется практически постоянными параметрами или медленном их изменении в допустимых пределах; переходный – режим перехода от одного установившегося режима к другому, сопровождающийся быстрым (скачкообразным) изменением параметров.
Параметры: режимов работы энергосистемы – мощность, ток, напряжение, частота; собственно энергосистемы – активные и реактивные сопротивления, проводимости и другие параметры, которые являются связующими для параметров режимов работы.
Технико-экономические показатели характеризуют надежность производства и распределения электроэнергии при всех возможных состояниях и режимах работы; качество производства и распределения электроэнергии; массу и габариты; долговечность; строительную стоимость; эксплуатационные расходы; уровень автоматизации; уровень унификации; уровень шума, уровень помех радиоприему и т.д. Технико-экономические показатели во многом взаимосвязаны и часто противоречивы. Задание и реализация этих показателей на практике осуществляется принятием компромиссных решений на основании анализа ряда вариантов СЭЭС, проводимого в основном методом экспертных оценок.
Разработку СЭЭС осуществляют в увязке со стадиями проектирования судов. На стадии эскизного проектирования выбирают конфигурацию и структуру СЭЭС, род тока, частоту и напряжение, руководствуясь общесудовыми требованиями. На стадии технического проектирования уточняют конфигурацию и структуру СЭЭС, разрабатывают все принципиальные схемы, производят выбор всех параметров оборудования и показателей СЭЭС на основании подробных расчетов.