Глава III. Электродвижение судов
Лекции 24, 25
тема занятий: Гребные электрические установки
Вопросы:
24.1. Общие сведения о гребных электрических установках (ГЭУ)
24.2. Схемы силовых цепей ГЭУ
25.1. Защита ГЭУ
25.2. Гребные электроустановки двойного рода тока
Общие сведения о гребных электрических установках (ГЭУ)
В состав гребных электрических установок (ГЭУ) входят: первичные двигатели, генераторы, гребные электродвигатели и движители.
В зависимости от типа первичного двигателя ГЭУ разделяются на дизель-электрические (ДЭГУ) и турбоэлектрические (ТЭГУ).
На речных судах, где мощность ГЭУ сравнительно невелика, применяются ДЭГУ.
По роду тока ГЭУ подразделяются на установки постоянного и переменного тока. В соответствии с Правилами Российского Речного Регистра в ГЭУ допускается применение как постоянного, так и переменного тока. В первом случае генераторами и гребными электродвигателями являются машины постоянного тока с независимым возбуждением, во вторам — источником электроэнергии служат синхронные генераторы, а в качестве гребных электродвигателей применяются синхронные и асинхронные двигатели. Опыт строительства и эксплуатации судов показал, что в ГЭУ мощностью до 3000 кВт целесообразно применять постоянный ток, используя при этом все преимущества системы Г—Д. В настоящее время при строительстве речных ледоколов и земснарядов устанавливается единая судовая электроэнергетическая система с ГЭУ по системе управляемый тиристорный выпрямитель — двигатель.
Основной особенностью ГЭУ является отсутствие жесткой механической связи между первичным двигателем и гребным винтом. Это создает для ГЭУ ряд преимуществ строительного и эксплуатационного характера по сравнению с теплоходами.
Основными преимуществами ГЭУ являются:
возможность применения быстроходных нереверсивных первичных двигателей, обладающих меньшими габаритами, массой и стоимостью;
более удобное размещение на судне первичных двигателей и гребных электродвигателей;
отсутствие длинного валопровода, затрудняющего более полное использование трюмных помещений судна;
возможность работы ГЭУ при пониженных скоростях судна на неполном числе первичных двигателей, но с наиболее полной их загрузкой;
возможность более полной автоматизации управления гребной установки, что значительно повышает надежность и маневренные качества судна;
значительная перегрузочная способность электрических машин, которая обеспечивает успешную работу силовой установки в тяжелых условиях плавания судна;
возможность использования генераторов ГЭУ для питания других потребителей электроэнергии;
обеспечение надежной защиты и контроля за работой всех частей гребной установки.
К основным недостаткам ГЭУ относятся:
уменьшение на 12—15% к.п.д. силовой установки, так как в ГЭУ происходит двойное преобразование энергии, каждое из которых сопровождается потерями;
увеличение массы и начальной стоимости ГЭУ;
сложность установленного оборудования и систем управления требует увеличения числа обслуживающего персонала достаточно высокой квалификации.
ГЭУ целесообразно применять на судах, к гребным установкам которых предъявляются повышенные требования по обеспечению маневренных режимов, более полному использованию мощности первичных двигателей в различных режимах работы и когда мощность ГЭУ может быть использована для питания специальных судовых механизмов и устройств во время стоянки или на малых ходах судна. К числу таких судов относятся: ледоколы, паромы, рейдовые буксиры, земснаряды, плавкраны и др.
В соответствии с Правилами Российского Речного Регистра к ГЭу предъявляются следующие требования:
первичные двигатели (дизели) должны иметь предельные регуляторы, срабатывающие при частоте вращения 115% номинальной, и всережимные регуляторы, допускающие изменение частоты вращения дизелей в пределах 30—105% номинальной;
регуляторы частоты вращения дизеля должны автоматически поддерживать заданное значение с точностью ±7% при сбросе или набросе номинальной нагрузки;
главные генераторы и гребные электродвигатели должны иметь хорошую вентиляцию, что достигается обычно применением принудительной вентиляции.
Схемы силовых цепей ГЭУ
В ГЭУ постоянного тока количество главных генераторов может быть больше числа гребных электродвигателей, и наоборот. Число гребных электродвигателей в безредукторных установках равно количеству гребных винтов.
В ГЭУ постоянного тока совместная работа главных генераторов и гребных электродвигателей может осуществляться как при последовательном, так и параллельном соединении их между собой. Схемы включения главных генераторов и гребных электродвигателей называются схемами силовых цепей ГЭУ. При питании ГЭУ от нескольких генераторов схема силовой цепи должна обеспечить одновременную работу как всех, так и отдельных генераторов.
В современных схемах электродвижения судов применяется в основном последовательное соединение генераторов и гребных электродвигателей.
Набор схем
силовых цепей осуществляется с помощью
специальных кулачковых контроллеров,
называемых селекторными переключателями.
Они имеют главные и вспомогательные
контакты. Главные контакты предназначены
для коммутации силовых цепей, а
вспомогательные — для включения цепей
возбуждения, управления, блокировки и
сигнализации. В связи с там что главные
контакты селекторных переключателей
не рассчитаны на размыкание рабочего
тока под нагрузкой, в схеме управления
ГЭУ предусмотрена блокировка, не
позволяющая переключать силовые цепи
при наличии напряжения в цепях возбуждения.
На рис.24.1 показана схема силовой цепи
дизель-электрохода проекта № 785, которая
позволяет с помощью селекторного
переключателя, имеющего семь главных
контактов, получить пять режимов работы.
Режим I
является
Рис.24.1. Схема силовой основным, когда каждый генератор G1 и G2
цепи дизель-электрохода работает на свой гребной электродвигатель Ml и проекта №785 М2. В этом режиме контакты 1, 2 и 3, 4 селектор-
ного переключателя замкнуты.
Режимы II и III являются режимами экономичного хода, когда один из дизель-генераторных агрегатов отключается, а работающий — обеспечивает ход судна на пониженной скорости. В режиме II генератор G1 работает на два последовательно соединенных гребных двигателя Ml и М2. Генератор G2 отключен. Замкнуты контакты 1, 5 и 6 селекторного переключателя. В режиме Ш замыкаются контакты 4, 5 и 7 селекторного переключателя, подключая гребные электродвигатели к генератору G2. Генератор G1-
выключен. Режимы IV и V являются аварийными, когда возникает необходимость вынужденной остановки отдельных агрегатов ГЭУ. В режиме IV генератор G1 работает на свой гребной электродвигатель Ml. Генератор G2 и двигатель М2 находятся в отключенном состоянии. Режим V характеризуется работой генератора G2 на гребной двигатель М2 с отключением генератора G1 и гребного двигателя Ml.
Управление ГЭУ осуществляется дистанционно из ходовой рубки и с крыльев ходового мостика, где для этой цели установлены посты с двумя рукоятками управления гребными электродвигателями правого и левого борта. Рукоятки этих трех постов управления имеют механическую блокировку между собой посредством валиковых передач.
Защита ГЭУ
В ГЭУ речных дизель-электрических судов применяются различные виды защиты от ненормальных режимов. По Правилам Российского Речного Регистра ГЭУ должны иметь максимальную защиту от токов короткого замыкания и защиту от перегрузок. Действию защиты от перегрузок предшествует включение звуковой и световой сигнализации. Кроме этого, в схемах ГЭУ предусматривается нулевая защита от самопроизвольного пуска гребных электродвигателей после перерыва питания или срабатывания одной из защит. При последовательном соединении главных генераторов постоянного тока в схеме ГЭУ предусматривается защита от непроизвольного реверса главных дизелей при частичной или полной потере ими вращающего момента. В случае самопроизвольной остановки главного дизеля одного из генераторов, работающих параллельно на общие шины или на один гребной электродвигатель, этот генератор автоматически отключается всеми полюсами без перерыва питания ГЭУ.
В силовых цепях и цепях возбуждения не допускается применение плавких предохранителей в качестве защиты. В цепях возбуждения устанавливаются только автоматические выключатели, которые отключают цепи возбуждения в случае короткого замыкания или повреждения силовых цепей.
По Правилам Российского Речного Регистра в ГЭУ должна быть предусмотрена защита от заземления токоведущих частей. Устройство защиты должно быть рассчитано так, чтобы ток утечки не превышал 20 А. Цепи управления, контроля и сигнализации имеют защиту от коротких замыканий, которая в большинстве случаев выполняется с помощью плавких предохранителей.
Защита от короткого замыкания в силовой цепи ГЭУ на судах речного флота выполняется при помощи реле максимального тока мгновенного действия или размагничивающей обмотки возбуждения возбудителя, включенной последовательно в цепь якорной обмотки гребного электродвигателя. На пассажирских дизель-электрических судах проекта № 785 защита от короткого замыкания осуществляется максимальным реле мгновенного действия.
На ледоколах проекта № 16, буксирах-толкачах проекта № 887А, а также на пассажирских дизель-электроходах проекта № 20 защита от короткого замыкания осуществляется размагничивающей обмоткой трехобмоточного возбудителя генератора.
Защиту от перегрузок на пассажирских судах проекта № 785 и буксирах-толкачах проекта № 887А обеспечивает размагничивающая обмотка возбуждения возбудителя. Она же обеспечивает и стоянку гребного электродвигателя «под током» в случае заклинивания гребного вала или винта. Размагничивающая обмотка возбуждения возбудителя ограничивает ток нагрузки в силовой цепи в пределах 1,5 Iном .
Защита главных дизель-генераторов от непроизвольного реверса, который возможен при непредвиденной остановке одного из главных дизелей при последовательном включении нескольких генераторов, осуществляется с помощью центробежных реле или реле давления масла в смазочной системе дизеля. При снижении частоты вращения дизеля до расчетного значения контакты реле отключают обмотку возбуждения генератора, соединенного с остановившимся дизелем. Так как магнитный поток генератора будет равен нулю, то и момент на валу генератора будет также равен нулю. Следовательно, непроизвольного реверса дизель-генератора не произойдет. В системах индивидуального возбуждения, когда возбудитель главного генератора находится на одном валу с главным дизелем, опасность реверса отсутствует.
Гребные электроустановки двойного рода тока
Развитие и внедрение полупроводниковой техники на судах позволили создать ГЭУ двойного (переменно-постоянного) рода тока, в которых источниками электроэнергии являются трехфазные синхронные генераторы переменного тока, а в качестве гребных электродвигателей используются двигатели постоянного тока. Для выпрямления переменного тока в постоянный система ГЭУ двойного рода тока имеет промежуточное звено между главным генератором и гребным электродвигателем — установку на полупроводниковых кремниевых вентилях (выпрямитель).
Гребные электрические установки двойного рода тока подразделяются на два типа: с неуправляемыми выпрямителями и с тиристорными управляемыми выпрямителями. В схеме ГЭУ с неуправляемыми выпрямителями (рис.25.1,а) переменный трехфазный ток синхронного генератора G1 подается на выпрямитель VD, собранный по мостовой схеме, к которому подключен гребной электродвигатель М постоянного тока.
Регулирование частоты вращения гребного электродвигателя производится изменением напряжения на его выводах. Для этого потенциометром RP поста управления изменяют ток в обмотке возбуждения LG2 возбудителя G2. В результате изменяется напряжение, вырабатываемое синхронным генератором G1, что приводит к изменению напряжения гребного двигателя М. Для получения крутопадающих механических характеристик в области больших перегрузок двигателя применена отрицательная обратная связь по току нагрузки. При возрастании нагрузки увеличится падение напряжения на обмотке дополнительных полюсов LM2 и компенсационной обмотке LM3 двигателя. Это напряжение поступит на магнитный усилитель МУ, который, воздействуя на обмотку возбуждения возбудителя LG2, уменьшит напряжение на зажимах синхронного генератора и соответственно гребного двигателя. В результате уменьшается ток в силовой цепи. Частота вращения главного дизеля МТ остаётся постоянной.
Реверс гребного электродвигателя производится изменением направления тока в его независимой обмотке возбуждения LM1.
В схеме ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями (рис.25.2,б) управление гребным электродвигателем осуществляется с помощью блока управления БУ, который, воздействуя на трёхфазный мостовой тиристорный преобразователь VT, управляет значением напряжения в силовой цепи двигателя. Обратная связь по току нагрузки выполнена так же, как и в схеме с неуправляемыми выпрямителями.
Рис.25.1. Схема ГЭУ двойного рода тока
ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями применена на современных речных дизель-электрических ледоколах, построенных в Финляндии. ГЭУ этих ледоколов состоит из трёх главных дизель-генераторных агрегатов переменного тока, работающих на общие шины ГРЩ, от которых через выпрямительное устройство, выполненное на управляемых полупроводниковых вентилях-тиристорах, получают питание три гребных электродвигателя постоянного тока.