книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

ГЛАВА I

СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ИСУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

§1. Классификация судовых электростанций. Их назначение и размещение на судне

На современных морских судах работа большинства судовых механизмов и жизнедеятельность всего судна обеспечиваются бла­ годаря использованию электроэнергии. Для производства, передачи

щит 3, кабельную сеть 2, групповые щиты 4 и потребители электро­ энергии 5.

В качестве источников энергии на судах используются генера­ торы постоянного и переменного тока, а также аккумуляторные батареи. Приводными двигателями генераторов являются двига­ тели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины. Агрегаты, состоящие из генератора и двигателя внутреннего сгорания (ди­ зеля), получили название дизель-генераторов. Генератор и паро­ вая турбина образуют паротурбогенератор, генератор и газовая турбина — газотурбогенератор.

Главный распределительный щит (ГРЩ) предназначен для контроля и управления работой генераторов, а также для распре­ деления энергии по судовым потребителям.

Для соединения генераторов с шинами ГРЩ и передачи энер­ гии от шин ГРЩ к судовым потребителям служит кабельная сеть.

Групповые щиты (ГЩ) предназначены для распределения пи­ тания между группами или отдельными потребителями электро­ энергии.

10

Потребителями электроэнергии на судах являются:

—двигатели палубных электроприводов, вспомогательных ме­ ханизмов силовых установок и судовых систем;

—электродвигатели рефрижераторных, морозильных и других технологических установок;

—сети электрического освещения;

—устройства судовождения и связи;

—электрооборудование бытовых приборов и др.

Наиболее ответственная часть электроэнергетической системы, включающая в себя генераторные агрегаты и главный распреде­ лительный щит, от которого производится питание электрической

Рис. 1. Судовая электроэнергетическая система.

Судовые электростанции по назначению делятся на электро­ станции общесудового назначения, электростанции гребных элек­ трических установок (ГЭУ) и аварийные.

Электростанции общесудового назначения обеспечивают работу судового электрооборудования и освещение судовых помещений во всех нормальных режимах работы судна.

Электростанции ГЭУ обеспечивают питание электроэнергией двигателей гребных винтов электроходов. Мощность электростан­ ции ГЭУ в несколько раз превышает мощность общесудовой электростанции. Поэтому генераторы электростанции ГЭУ часто называют г л а в н ы м и в отличие от генераторов общесудовой электростанции, называемых в с п о м о г а т е л ь н ы м и . Иногда предусматривают отбор мощности от главных генераторов для пи­ тания общесудовых потребителей электроэнергии.

Для снабжения электроэнергией жизненно важных потребите­ лей в случае выхода из строя общесудовой электростанции на пассажирских, грузовых (свыше 5000 per. т), наливных самоходных

11

судах, ледоколах и некоторых других судах специального назначе­ ния устанавливается аварийная электростанция.

По роду тока все судовые электростанции подразделяются на электростанции постоянного и переменного тока.

Надежность и экономичность работы судовых электростанций, а также удобство эксплуатации их оборудования во многом зави­ сят от размещения электростанции на судне.

станциях генераторные агрегаты устанавливают в помещениях главных судовых машин или рядом с ними. В этих помещениях, обычно находящихся в средней части судна, в непосредственной близости от генераторных агрегатов располагают и ГРЩ, который таким образом оказывается в центре электрических нагрузок, что обусловливает уменьшение длины кабельных линий и потери элек­ троэнергии в них.

Для обеспечения большей надежности и живучести судовой электроэнергетической системы на некоторых судах устанавливают две электростанции: носовую и кормовую, которые для взаимного резервирования соединяются между собой кабельными перемыч­ ками. Иногда с целью повышения живучести судна генераторные агрегаты размещают в разных судовых отсеках.

На электроходах генераторные агрегаты электростанции ГЭУ устанавливают в помещении главных машин или отдельно в кор­ мовом отсеке.

Аварийная электростанция, т. е. аварийный дизель-генератор со своим распределительным щитом, располагается в помещении, на­ ходящемся выше палубы переборок, вне шахты машинно-котель­ ного отделения с непосредственным выходом на открытую палубу.

§2. Условия работы и требования, предъявляемые

ксудовым электроэнергетическим системам и электростанциям

Всудовых электроэнергетических системах используется боль­ шое количество различного оборудования, работающего в специ­ фических условиях, для которых характерны следующие основные особенности:

резкие колебания температуры (от —30 до +45° С), обуслов­ ленные районом, плавания, временем дня и года и характером су­ довых помещений;

относительная влажность воздуха, которая в закрытых поме­

12

общая вибрация судна, создаваемая работой гребных винтов, и местная, вызываемая работой отдельных агрегатов, которая мо­ жет иметь частоту до нескольких десятков герц при амплитуде ко­

Перечисленные неблагоприятные условия затрудняют нормаль­ ную работу судового электрооборудования и требуют для его из­ готовления высококачественных изоляционных и конструкционных материалов.

Основным требованием, предъявляемым к электрооборудова­ нию электроэнергетических систем, является надежность его работы в сложных судовых условиях. Это объясняется, с одной сто­ роны, тем, что все основные судовые механизмы электрифициро­ ваны, и поэтому надежная работа электрооборудования обуслов­ ливает как нормальную эксплуатацию, так и саму целость судна; с другой стороны, судно обладает высокой автономностью и на­ долго отрывается от баз снабжения и ремонтных мастерских, часто имеет ограниченное количество квалифицированного обслу­ живающего персонала.

Кроме того, в соответствии с предъявляемыми к судовому электрооборудованию требованиями оно должно обладать мини­ мальными массой и габаритами, высоким к. п. д. и обеспечивать удобство в обслуживании, минимальные помехи радиоприему и малую шумность, а также минимальную строительную стоимость и максимальную унификацию.

Минимальная масса электрооборудования позволяет увеличить количество полезного груза. Необходимость минимальных габари­ тов объясняется стесненностью судовых помещений. Выполнение этих требований без снижения надежности электрооборудования осуществляется благодаря изготовлению его из высококачествен­ ных материалов, а также путем повышения частоты вращения электрических машин.

Повышение к. п. д. уменьшает непроизводительные расходы топлива и увеличивает автономность плавания судна.

Источниками помех радиоприему являются коллекторы машин постоянного тока, звонки, системы зажигания двигателей внутрен­ него сгорания, неплотные контакты и др. Для устранения этих помех применяются специальные фильтры, а кабели, прокладывае мые на открытых палубах и переборках, снабжаются экранирую­ щими оболочками. Корпуса машин и другого электрооборудова­ ния, а также оболочки кабелей замыкают на корпус судна (за­ земляют) .

Снижение строительной стоимости электрооборудования дости­ гается путем его унификации, повышения серийности, усовершен­ ствования технологии производства и других мероприятий.

13

Судно является автономным сооружением и свою жизнедея­ тельность должно обеспечивать собственными средствами. В связи с этим судовые электроэнергетические системы должны удовлетворять ряду требований, основными из которых являются:

1) бесперебойное снабжение электроэнергией потребителей во всех режимах работы судна;

2) возможность быстрой локализации поврежденных участков;

3)простота в управлении при переходе от одного режима ра­ боты к другому;

4)минимальный расход кабеля.

Бесперебойность питания потребителей электроэнергией обес­ печивается:

— подачей питания к ответственным потребителям несколь­ кими максимально разведенными кабелями;

—защитой кабельных трасс от внешних воздействий;

—установкой резервных и аварийных генераторных агрегатов;

—размещением электрооборудования в местах, обеспечиваю­ щих наиболее благоприятные условия работы;

—установкой на судне нескольких электростанций.

В зависимости от характера судна ответственными потребите­ лями, требующими двойного питания, являются: рулевое устрой­ ство, радиосвязь, навигационное оборудование, спасательные и противопожарные средства, механизмы, обеспечивающие работу главной силовой установки, брашпиль и другие устройства.

Кабельные трассы прокладывают в таких местах, где они не будут подвергаться воздействию механических усилий, высоких температур, масел, кислот и т. п. В противном случае их снабжают защитными кожухами, трубами и желобами.

К судовым электростанциям как основной части электроэнер­ гетической системы также предъявляются жесткие требования, наиболее важными из которых являются:

1) надежная работа в нормальном и аварийном режимах;

2)надлежащее качество электроэнергии, определяемое посто­ янством напряжения и частоты;

3)обеспечение экономичной работы генераторов;

4)безопасность работы обслуживающего персонала.

§3. Основные параметры судовых электроэнергетических систем

Основными параметрами судовой электроэнергетической си­ стемы являются род тока, напряжение и частота. Совместно с дру­ гими параметрами они определяют надежность, вес, габариты, стоимость и эксплуатационные показатели электрооборудования судовой электроэнергетической системы.

Род тока. Правилами Регистра СССР допускается применение на судах постоянного и переменного тока. При выборе рода тока в процессе проектирования судовых электроэнергетических систем сравнивают систему постоянного тока и трехфазную трехпроводную систему (с изолированной нейтралью) переменного тока. При этом сопоставляют следующие основные показатели:

14

надежность работы электродвигателей и аппаратов управления; масса и габариты электрооборудования; стоимость электрооборудования;

обеспечение требуемых характеристик электродвигателей судо­

ния. В судовых электроэнергетических системах постоянного тока

с асинхронными являются менее надежными в работе из-за нали­ чия у них коллектора и щеточного механизма, на долю которых приходится более 40% всех неисправностей. Асинхронные короткозамкнутые двигатели компактнее, проще в устройстве и обслу­ живании, а следовательно, и надежнее в работе. Отсутствие у них коллектора также устраняет один из основных источников помех радиоприему на судах.

Пуск асинхронных двигателей осуществляется с помощью маг­ нитных пускателей, более простых и надежных по сравнению с пу­ сковыми реостатами двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели имеют также и более продолжительный срок службы. Отсутствие открытых токоведущих частей (коллектора и щеток) повышает безопасность обслуживания электродвигателей.

Источниками электроэнергии постоянного тока на судах обычно являются генераторы со смешанным возбуждением, источниками переменного тока — синхронные генераторы, которые также на­ дежнее генераторов постоянного тока.

Применение переменного тока позволяет с помощью трансфор­ маторов отделить сеть освещения от силовой сети. Это повышает надежность работы силовой сети, так как в этом случае короткие замыкания, которые чаще происходят в наиболее разветвленной сети освещения, имеют с силовой сетью лишь магнитную связь и поэтому оказывают на нее меньшее воздействие.

Кроме того, применение переменного тока позволяет упростить подачу питания с берега, где переменный ток является основным родом тока.

Масса и габариты электрооборудования. Сравнивая массу и габариты различных элементов систем переменного и постоянного тока, можно сделать следующие выводы:

масса асинхронных короткозамкнутых двигателей меньше мас­

и дополнительных приборов, необходимых для контроля частоты, cos ф и активной мощности в установках переменного тока;

передача электроэнергии переменного тока в основном осуще­ ствляется трехжильными кабелями, а энергии постоянного тока —

15

двухжильными. В результате этого масса кабельной сети постоян­ ного тока при одинаковом напряжении меньше массы сети перемен­ ного тока. Однако в случае использования переменного тока име­ ется возможность применить более высокое напряжение, при ко­ тором масса кабельной сети будет меньше массы кабельной сети постоянного тока более низкого напряжения.

Стоимость электрооборудования. Благодаря тому, что электро-, двигатели и аппараты управления переменного тока конструктивно проще и на их изготовление расходуется меньше цветных металлов и других материалов, они являются более дешевыми, чем двига­ тели и аппараты постоянного тока. Применение переменного тока по сравнению с постоянным дает уменьшение стоимости электро­ оборудования в среднем на 30—40% на малых и средних судах и на 50—60% — на крупных.

Большая надежность электрооборудования переменного тока обусловливает меньшие затраты на его ремонт во время эксплуа­ тации. Более высокий к. п. д. асинхронных двигателей обеспечи­ вает их повышенные эксплуатационные показатели.

Обеспечение требуемых характеристик электродвигателей. Ос­ новными потребителями электроэнергии на судах являются элек­ тродвигатели судовых механизмов. Сравнивая двигатели посто­ янного тока с асинхронными, можно сделать вывод о том, что в настоящее время двигатели постоянного тока имеют более плав­ ное регулирование скорости в широких пределах. Однако на боль­ шей части современных судов 70—80% электрифицированных механизмов такого регулирования скорости не требуют. К ним отно­ сятся насосы, вентиляторы, компрессоры. С регулированием ско­ рости в различных пределах работают брашпили, лебедки, краны и другие специальные механизмы.

Для нерегулируемых приводов наиболее рациональным явля­ ется использование асинхронных короткозамкнутых двигателей, как наиболее простых, дешевых и надежных в работе. Механизмы со ступенчатым регулированием скорости могут приводиться асин­ хронными полюсопереключаемыми двигателями серии МАП, кото­ рые обеспечивают от двух до четырех устойчивых скоростей. В тех случаях, когда необходима высокая плавность регулирования ско­ рости в широких пределах, до настоящего времени все еще при­ меняют двигатели постоянного тока. При небольшом количестве таких электроприводов на судне они могут работать от местных преобразователей переменного тока в постоянный (например, си­ стема генератор — двигатель Г — Д) .

В последнее время вместо системы Г—Д все шире стали при­ меняться тиристорные преобразователи, которые можно использо­ вать для плавной регулировки скорости в широких пределах как двигателей постоянного тока, так и асинхронных двигателей. В по­ следнем случае они обеспечивают регулирование частоты и на­ пряжения питающей сети.

Таким образом, сравнение постоянного и переменного тока по­ казывает, что по большинству показателей переменный ток явля-

16

ется наиболее предпочтительным. Постоянный ток в качестве ос­ новного рода тока на судне может быть,рационален, например, на судах с ГЭУ на постоянном токе с возможным отбором мощности для общесудовых потребителей.

Величина напряжения. Номинальное напряжение, принимаемое для судовых электроэнергетических систем, зависит от установлен­ ной мощности судовой электростанции и расстояний, на которые необходимо передавать электроэнергию судовым потребителям.

Правилами Регистра СССР устанавливается верхний предел

Электрические машины постоянного и переменного тока в пре­ делах допустимых напряжений имеют массу и габариты, завися­ щие главным образом от их мощности и не зависящие от номи­ нального напряжения.

Распределительные устройства на 380 В имеют несколько мень­ шие массу и габариты, чем устройства на 220 В, что объясняется возможностью использовать в первом случае аппараты на мень­ ший ток.

Основным критерием при выборе величины номинального на­ пряжения системы является масса кабельной сети. При передаче одной и той же мощности, ток, а следовательно, и сечение кабеля находятся в обратной зависимости от напряжения. Кроме того, в рас­ пределительных сетях наблюдается потеря напряжения AU, кото­ рая увеличивается с ростом сопротивления (длины) питающих фи­ деров (^AU— ri = р-^-1^. Следовательно, для уменьшения потери

напряжения также необходимо повысить напряжение и тем самым уменьшить протекающий по линии ток.

Применение как можно более высокого напряжения дает ощу­

Однако следует иметь в виду, что повышение напряжения свя­ зано с увеличением вероятности поражения людей электрическим током.

Частота тока судовой сети. В судовых электроэнергетических системах в настоящее время обычно используется общепромыш­ ленная частота 50 Гц. Для радионавигационных устройстви _друхид

потребителей, работающих при повышенной частоте, применяются специальные преобразователи частоты.

Увеличение мощности электроэнергетической системы на вновь строящихся судах создает трудности в размещении электрооборудо­ вания на судне. Таким образом, возникает необходимость умень­ шения массы и габаритов судового электрооборудования, чего можно добиться повышением частоты тока судовой электрической сети, например, до 400 Гц. При этом масса синхронных генераторов мощностью 100—300 кВт уменьшается в 2—3, размеры длины кор­

текания переходных процессов и др.

§ 4. Конструкция и основные характеристики судовых генераторов постоянного и переменного тока

Генератор является электрической машиной, преобразующей механическую энергию первичного двигателя в электрическую, вы­ даваемую в судовую сеть. Генератор и первичный двигатель соеди­ няются между собой с помощью муфты или редуктора, образуя таким образом генераторный агрегат, который устанавливается на общей фундаментной плите или сварной раме. Генераторные агре­ гаты располагаются параллельно диаметральной плоскости судна, что в условиях волнения и маневров обеспечивает меньшую на­ грузку на подшипники и нормальную смазку.

Судовые генераторы отличаются от генераторов береговых установок своим конструктивным исполнением, которое в основном определяется:

—способом защиты от воздействий окружающей среды;

—способом охлаждения;

—• типом применяемых подшипников.

По способу защиты от воздействий окружающей среды разли­ чают генераторы брызгонепроницаемого и водозащищенного типов. В соответствии с Правилами Регистра СССР электрооборудование брызгонепроницаемого типа имеет приспособления, предотвращаю­ щие попадание внутрь него водяных капель, падающих верти­ кально и под углом до 45° от вертикали. Такими защитными приспособлениями обычно являются жалюзи в смотровых и венти­ ляционных окнах генераторов. Электрооборудование водозащищен­ ного типа защищено от попадания внутрь воды при обливании его из шланга.

Судовые генераторы имеют охлаждение, выполненное по прин­ ципу самовентиляции, или принудительное. Самовентиляция обычно обеспечивается крылаткой, вращающейся на валу генера­ тора. Принудительное охлаждение производится отдельными вен-

18

тиляторами и может выполняться как по разомкнутому, так и по

локна, применяемых с органическими связующими и пропитываю­ щими составами. Изоляция класса H допускает температуру на­

пускаемые заводами «Электросила» им. С. М. Кирова и ХЭМЗ. Применяемые на судах генераторы постоянного тока имеют сме­ шанное возбуждение. В отличие от остальных они обладают свой­ ством автоматически поддерживать достаточную степень постоян­ ства напряжения даже без применения специальных автоматиче­ ских регуляторов возбуждения.

Генераторы постоянного тока имеют следующие конструктив­ ные особенности. Станина генераторов изготовляется в виде сталь­ ных литых или сварных конструкций с приваренными лапами. Сер­ дечники главных полюсов собираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм, сердечник якоря — из пакетов листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Об­ мотки .возбуждения и якоря выполняются из круглой или прямо­ угольной обмоточной меди с изоляцией классов В и Н. В обмотке полюсов и сердечнике якоря проделываются радиальные и акси­ альные вентиляционные каналы. Генераторы выполняются как с самовентиляцией, так и с принудительной вентиляцией по разомк­ нутому циклу. Генератор типа П52 брызгозащищенного исполне­ ния представлен на рис. 2.