1.2 Выбор рода тока, напряжения, частоты

1.2.1 Выбор рода тока

В СЭЭС можно применить постоянный или трехфазный переменный ток. Электрические двигатели постоянного тока могут быть с последовательным, смешанным и параллельным возбуждением. Они обеспечивают плавное регулирование скорости вращения:

_{, (1)}

где: I_a – ток якоря, А;

U – напряжение сети, В;

R_a – сопротивление якоря, Ом;

с – постоянная зависящая от конструкции.

Изменение скорости можно производить изменением сопротивления с помощью реостатов включенных последовательно с обмоткой якоря или изменением потока. Скорость вращения асинхронного двигателя:

, (2)

где: ω – скорость вращения двигателя, об/мин;

f – частота тока или напряжения, Гц;

р – число пар полюсов;

s – скольжение.

Регулирование скорость возможно только изменением числа пар полюсов.

При этом плавной регулировки скорости не получается. Изменением скорости числом пар полюсов возможно только для двигателей серии МАП (многоскоростные двигатели). Простота конструкции асинхронного двигателя (ротор выполнен в виде беличьей клетки) делает его надежным в эксплуатации. Тогда как двигатели постоянного тока нуждаются в уходе за коллектором и щеточным аппаратом. Асинхронный двигатель обладает меньшими габаритами, массой и стоимостью. Масса на 30 – 40 % ниже, габариты 20-30 % ниже, стоимость в 2 раза ниже стоимости двигателей постоянного тока. Также асинхронные двигатели имеют более высокий КПД, чем двигатели постоянного тока, которые создают сильные помехи радиоприему из-за искрения щеток и более высокий уровень шума.

Преимуществом асинхронного двигателя является возможность их без реостатного пуска с помощью магнитных пускателей. Пуск двигателей постоянного тока осуществляется с помощью пусковых реостатов более громоздких, сложных и дорогих по сравнению с магнитными пускателями.

Основными недостатками асинхронных двигателей является плавность регулирования скорости, но большинство электроприводов не требуют регулировки скорости вращения и только небольшая часть электроприводов может выполнена со ступенчатой регулировкой скорости (с помощью многоскоростных электродвигателей типа МАП) это палубные механизмы.

1.2.1.1 Распределительные устройства

На переменном токе большинство распределительных устройств являются трехпроводными на постоянном токе, все распределительные устройства двухпроводные.

На переменном токе необходимо установить:

- амперметр;

- вольтметр;

- фазометр;

- частотомер;

- ваттметр.

На постоянном токе на лицевой панели необходимо установить только амперметр и вольтметр, поэтому габариты и масса распределительных устройств на переменном токе гораздо больше, чем распределительные устройства на постоянном токе.

1.2.1.2 Кабель

Передача электроэнергии при переменном токе осуществляется трехжильными кабелями, а на постоянном токе двухжильными, это значит что масса и стоимость кабелей на переменном токе выше, чем на постоянном токе, но это только в том случае, если напряжение одинаковое на постоянном токе при напряжении 24 В, на переменном токе 380 В, поэтому масса и стоимость кабеля становится ниже.

1.2.1.3 Источники электроэнергии

В качестве судовых источников электроэнергии постоянного тока обычно применяют генератор смешанного возбуждения, а в качестве источников электроэнергии при переменном токе используют синхронные генераторы. По весу, габаритам и надежности в работе генераторы постоянного и переменного тока небольшой мощности не имеют больших отличий. Синхронные генераторы средней мощности оказываются меньше по весу и более надежными в работе по сравнению с генераторами постоянного тока, это объясняется отсутствием у синхронных генераторов коллектора. При большой мощности (более 1000 кВт) генераторы постоянного тока становятся не надежными.

Преимуществами переменного тока являются:

- преобразование одного напряжения в другое с помощью трансформатора,

который можно считать абсолютно надежным;

- разделять с помощью трансформатора сеть освещения и другие сети слаботочные от силовой сети, при этом увеличивается надежность силовой сети, так как между силовой сетью и сетью освещения существует только магнитная связь, которая исключает влияние на силовую сеть часто возникающих в сети освещения коротких замыканий;

- применение высоких напряжений без ухудшений работы электрооборудования;

- повышение экономичности электрооборудования, так как КПД машин переменного тока выше КПД машин постоянного тока;

- получать электроэнергию от береговой сети без преобразователей;

- повысить уровень унификации судового электрооборудования с электрооборудованием промышленного значения.

Постоянный ток можно получить из переменного с помощью агрегатов типа ВАКС (выпрямительный агрегат кремниевый силовой), таким образом можно сделать вывод, что независимо от мощности в СЭЭС наиболее целесообразным является применение переменного тока[ ].

1.2.2 Выбор номинального напряжения

Масса и габариты электрических машин до 500 В не зависит от величины напряжения. При напряжении 500 В масса и габариты электрических машин повышаются за счет увеличения пазовой изоляции статора, что приводит к уменьшению заполнения паза медью, поэтому требуется увеличить число витков в пазе статора, а значит, увеличиваются габариты, масса и стоимость электрических машин. При увеличении напряжения уменьшаются коммутируемые токи, это значит, что уменьшаются габариты аппарата, при повышении напряжения более 500 В осложняется дугогашение и при этом должно быть увеличено расстояние

между токоведущими частями и корпусом, что приводит к увеличению массы и

габаритов распределительного устройства. Решающим показателем при выборе напряжения является масса кабельных трасс, а значит сечения кабелей (силовых):

, (3)

где: S – сечение силовых кабелей, мм²;

Р – мощность, кВт;

l – длина кабеля от источника до потребителя, м;

γ – удельная проводимость меди, м/Ом×мм²;

U – напряжение сети, В;

∆U – допускаемая величина потерь, %.

Максимальное сечение кабеля для переменного трехфазного тока - 240 мм² минимальное - 0,5 мм² (0,35 мм² для местных кабелей). Исходя из формулы видно, чтобы уменьшить сечение необходимо повышать напряжение, но бесконечно повышать напряжение нельзя нужно учитывать, что в судовых условиях велика вероятность поражения людей электрическим током, по причине стесненного обслуживания, наличие влаги, металла. На заказах приняты следующие величины напряжения:

а) ̴ 24 В (12 В) – для переносного освещения, переносных инструментов;

б) ̴ 220 В – сети освещения, другие слаботочные сети (сигнализация, связь, разветвлённые цепи управления);

в) ̴ 380 В – все остальное оборудование[ ].

1.2.3 Выбор номинальной частоты

При повышении частоты снижается масса и габариты электрических машин:

_{, (4)}

где: f – частота тока питающей сети, Гц;

p – число пар полюсов обмотки статора;

s – скольжение ротора, частоту вращения асинхронного двигателя.

При f = 50 Гц и р = 1, n = 3000 об/мин, а при f = 400 Гц и р = 1,

n = 24000 об/мин, то есть увеличилась производительность в 8 раз. Мощность электрических машин равна:

, (5)

где: М – момент, H·м;

ω – угловая скорость, рад/с.

При P = const и при увеличении ω уменьшается момент.

, (6)

где: l – плечо электрической машины;

F – сила, H.

При постоянной силе, плечо уменьшается в электрических машинах, плечом является радиус ротора, при увеличение частоты радиус ротора уменьшается, а это значит, что уменьшается диаметр ротора и соответственно диаметр статора, то есть уменьшается масса и габариты электрических машин. Масса и габариты коммутационных устройств, при повышении частоты увеличивается в связи с ухудшением дугогашения и увеличением нагрева токоведущих частей, это связанно с увеличением реактивного сопротивления, которое равно:

, (7)

где: X_L – реактивное сопротивление, Ом;

f – номинальная частота сети, Гц;

L – индуктивность, Гн.

При повышении частоты, X_L - увеличивается, а значит увеличиваются масса и габариты, коммутационного устройства.

При увеличении f увеличивается реактивное сопротивление кабеля, особенно при больших сечениях, что влечет за собой увеличение сечения кабеля.

Все выше сказанное говорит о том, что при частоте 400 Гц суммарные масса и габариты электрооборудования уменьшается в 2 – 3 раза, но при условии, что будет увеличиваться скорость судовых механизмов (насосов, компрессоров). В противном случае введение редукторов снижает преимущество применения в СЭЭС частоты 400 Гц. В качестве номинальной частоты для водоизмещения судов применяется частота 50 Гц. Частота 400 Гц целесообразна только на глиссирующих судах и КДПП (корабли с динамическим принципом поддержания), где масса и габариты относятся к главным показателями, при этом на таких заказах устанавливается специальное авиационное оборудование. Частоту 400 Гц из 50 Гц можно получить с помощью преобразователей АТО и АТТ.

1.3 Режимы работы судна

В зависимости от типа и назначения судна выбираются наиболее характерные для данного судна режимы работы. В каждом режиме используется определенное, присущее ему сочетание потребителей. В данном курсовом проекте рассмотрены следующие режимы работы судна:

- ходовой;

- стоянка в порту;

- съемка с якоря;

- аварийный режим.

1.3.1 Ходовой режим

В ходовом режиме работает большая часть потребителей:

- главная энергетическая установка (ГЭУ);

- вентиляция;

- кондиционирование;

- освещение;

- рулевая машина;

- связь;

- автоматика;

- сигнализация;

- один из пожарных насосов (для поддержания давления в системе).

Не работают:

- ВАКЗ;

- сварочные агрегаты;

- станочное оборудование;

- водоотливные насосы и палубные механизмы.

1.3.2 Режим стоянки в порту

В режиме стоянки на судне находятся часть экипажа и работают:

- ВАКЗ;

- сварочные агрегаты;

- станочное оборудование.

С низким коэффициентом загрузки работают:

- освещение;

- отопление;

- камбузное оборудование;

- средства связи;

- один из пожарных насосов;

- сепараторы масла и топлива.

Не работают:

- ГЭУ;

- палубные механизмы;

- водоотливные насосы;

- навигационное оборудование.

1.3.3 Режим съема с якоря

В режиме съема с якоря судно полностью подготовлено к ходовому режиму, работают:

- насосы прокачки масла и топлива;

- часть освещения;

- сигнализация;

- связь;

- автоматика;

- один из пожарных насосов.

Не работают:

- ГЭУ, ВАКЗ;

- сварочные агрегаты;

- станочное оборудование;

- водоотливные насосы.

1.3.4 Аварийный режим

В аварийном режиме работают:

- пожарные насосы;

- водоотливные насосы;

- рулевая машина;

- ГЭУ;

- связь;

- сигнализация;

- освещение с малым коэффициентом загрузки;

- навигационное оборудование.

Не работают:

- бытовые потребители;

- вентиляция;

- камбуз;

- палубные механизмы;

- станочное и сварочное оборудование.

По продолжительности работы потребители подразделяются на непрерывно работающие (НР), периодически работающие (ПР) и эпизодически работающие (ЭР).

(НР) потребители – это потребители время работы которых составляет 70 – 100 % от продолжительности режима или 17 – 24 часа в сутки.

(ПР) потребители – это потребители время работы которых составляет 15 – 70 % от продолжительности режима или 3,5 – 17 часов в сутки.

(ЭР) потребители – это потребители время работы которых составляет менее 15 % от продолжительности режима или менее 3,5 часов в сутки.

1.4 Схема распределения электрической энергии

1.4.1 Магистральная система распределения электрической энергии

Магистральная система обеспечивает питание потребителей от главного распределительного щита (ГРЩ) по магистрали, которая представляет собой кабели, последовательно соединяющие несколько вторичных распределительных щита (ВРЩ) или соединительных коробок.

Рисунок 1 - Магистральная схема распределения электрической энергии

Достоинствами магистральной системы распределения электрической энергии является:

- позволяет сокращать до минимума число подключений к ГРЩ кабелей и установленных на нем автоматических выключателей, что упрощает схему ГРЩ;

- небольшая длина, масса и габариты ГРЩ, а значит и стоимость;

- минимальная трудоемкость электромонтажных работ при подключении кабелей к ГРЩ.

Недостатками магистральной системы распределения электрической энергии является:

- низкая надежность и живучесть, так как повреждение магистрали лишает большое число потребителей;

- исключается возможность централизованного управления питанием потребителей, что создает неудобства при эксплуатации.