ребные электрические установки

ЧЕЛПАНОВ И.В.

 

 

Л Е К Ц И Я № 9.1

 

Тема: Судовые электроэнергетические системы

 

Текст лекции по дисциплине «Объекты морской техники»

 

Санкт-Петербург

Введение

Судовая электроэнергетическая система (СЭЭС) — это совокупность взаимосвязанных ко­рабельных источников электроэнергии, преобра­зователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств и соединительных линий, объединённых процессом производства, преоб­разования и распределения электроэнергии, предназначенная для питания судовых потреби­телей. Многие авторы в определение СЭЭС вводят и потребителей, формально же потреби­тели в систему не входят, но они оказывают су­щественное влияние на структуру, параметры, режимы и др. Из определения следует, что СЭЭС состоит из источников электроэнергии, линий электропередач, распределительных щитов и преобразователей, а также регулирующих, конт­ролирующих, распределяющих, сигнализирую­щих, управляющих и других устройств.

Судовые электроэнергетические системы имеют существенные отличия от боль­ших береговых, а также от других автономных систем.

1. Соизмеримость мощностей генераторов и потребителей, наличие достаточно больших воз­мущений в системе и связанных с этим измене­ний частоты и напряжений.

2. Короткие линии, поэтому их расчёт, как правило, ведётся не по потерям напряжения, а по тепловым режимам.

3. Большие номинальные и аварийные токи из-за относительно низких напряжений и корот­ких линий и в связи с этим тяжёлые аварийные режимы.

4. Наличие значительных по объёму, массе, а в ряде случаев протяжённости кабельных трасс. Как показал опыт, это требует большого внимания при их проектировании, постройке и эксп­луатации. Из-за относительно низких напряже­ний и больших номинальных токов генераторов и потребителей кабельные трассы для мощных систем получаются громоздкими, трудными для монтажа, легкоуязвимыми при аварийных по­вреждениях.

5. Возможность как автономной, так и па­раллельной работы нескольких разнородных генераторных агрегатов с различными первичны­ми двигателями, регуляторами и характеристи­ками.

6. Сложная многоступенчатая система элек­трической защиты и управления, которая функ­ционально может меняться и перенастраиваться в зависимости от режимов работы.

7. Необходимость обеспечения надёжной ра­боты всех элементов СЭЭС при бортовой и киле­вой качке. Амплитуда бортовой качки может достигать 45°, а килевой 10°. Длительный крен судна может достигать 15°.

8. Большое количество потребителей, раз­нообразных по роду тока, напряжению, мощности, предназначению, степени важности, исполнению, характеру момента на валу, режи­му работы и защищённости, сконцентрирован­ных, как правило, в затеснённых отсеках. По­требители должны функционировать в различ­ных климатических поясах от арктических до тро­пических и соответственно подвергаться значи­тельным колебаниям температуры наружного воздуха, а также разнице температур мест распо­ложения при значительной влажности морского воздуха и наличия в нём солей, паров топлива и масел, что может весьма агрессивно действо­вать на металл и изоляцию электрооборудова­ния. Относительная влажность воздуха на палу­бе судна 70-100 %, а под палубой, в машин­ных отделениях до 95±3 % при температуре +25±2 °С.

9. Необходимость успешного функциониро­вания электрооборудования в условиях ударных сотрясений и вибраций. Вибрация может быть общей, создаваемой работой гребных винтов и главной энергетической установкой, и местной, вызываемой работой отдельных агрегатов.

10. Широкое внедрение на судах статических преобразователей электроэнергии вызывает не­обходимость принятия комплекса мер по обес­печению статических и динамических показате­лей качества.

11. Использование на судах различных систем регулирования, управления, защиты, сигнализации и др. на микропроцес­сорной элементной базе, требующих для успеш­ного функционирования как бесперебойного питания, так и кондиционной электроэнергии. Из-за наличия импульсных коммутационных пе­ренапряжений вопросы электромагнитной совместимости в стеснённых судовых условиях ста­новятся серьёзной проблемой для проектиров­щиков и специалистов по эксплуатации.

12. Несмотря на особые условия функционирования СЭЭС, необходимость обеспечения составляющих безопасности эксплуатации систем судна (ядерная безопасность, электробезопасность, электростатическая, хранения лёгкихтоплив, пожаробезопасность и др.).

сточники электроэнергии

Источники электроэнергии— генераторные агрегаты, состоящие из приводного двигателя, редуктора, генератора и подсистем регу­лирования, управления, защиты, сигнализации и контроля и др. Сюда же относятся химичес­кие источники тока.

В качестве генераторных агрегатов используются дизель-генера­торы, турбогенераторы, газотурбогенераторы, валогенераторы (генераторы с приводом от греб­ного вала, в их числе валодизель-генераторы и валотурбогенераторы), утилизационные турбоге­нераторы (генераторы с приводом от турбины, работающей от утилизационного котла).

Источники электроэнергии в зависимости от назначения могут быть основными, резервны­ми и аварийными. Основные предназначены для работы в любом режиме СЭЭС, резервные — для обеспечения резерва мощности, аварийные — для работы в аварийных режимах. Последние обеспечивают ограниченный круг потребителей в особых случаях в интересах жизнеобеспечения, борьбы за живучесть, ядерной безопасности и имеют ограниченную мощность. В качестве ава­рийных источников используются дизель-гене­раторы и аккумуляторные батареи.

Передача электроэнергии в СЭЭС осуществ­ляется с помощью линий электропередач. Это либо шинопроводы, либо кабели. В качестве материала, как правило, используется электро­литическая медь.

Совокупность линий электропередач с рас­пределительными щитами называется электри­ческой сетью.

Судовая электрическая станция — это энер­гетический комплекс, преобразующий различ­ные виды энергии в электрическую, состоящий из источников электроэнергии и главных рас­пределительных щитов (ГРЩ).

Главные распределительные щиты предназначены для присоединения источников электроэнергии к судовой силовой электрической сети, управления их работой, кон­троля и сигнализации. Силовая электрическая сеть начинается от ГРЩ и заканчивается у преобразователей или приёмников электрической энергии.

Районный распределительный щит предна­значен для распределения электроэнергии в пре­делах определённого энергетического района и обеспечивает электроэнергией отсечные щиты этого района.

Отсечные распределительные щиты предназначены для обеспече­ния питания потребителей в пределах отсека суд­на, групповые — для распределения элект­роэнергии между приёмниками, как правило, одинакового назначения.

Щит приёма питания с берега (ЩПБ) пред­назначен для обеспечения судна электроэнерги­ей от береговой сети при стоянке у стенки, в порту и др. Как правило, ЩПБ подсоединён к одному из ГРЩ.

Электрораспределительный шит, к которому подключены аварийный источник электроэнер­гии и аварийная сеть, называется аварийным рас­пределительным щитом. Совместно с аварий­ным источником они образуют аварийную судо­вую электростанцию. Согласно требованиям Ре­гистра аварийная электростанция размещается в помещении вне зоны затопления судна (на глав­ной палубе или даже выше).

Судовая электроэнергетическая система имеет свои параметры электроэнергии, род тока, вели­чину напряжения, частоту сети. Однако не все потребители используют электроэнергию с этими параметрами. Часть электроэнергии преобразует­ся в другой род тока, другое напряжение и часто­ту. Это осуществляется с помощью вращающихся электромашинных или статических преобразовате­лей. Последние получают всё больший приоритет благодаря успехам в полупроводниковой элемент­ной базе, теоретическим и практическим дости­жениям преобразовательной техники.

Силовые электрические сети по принципу распределения электроэнергии разделяются на магистральные, фидерные и магистрально-фидерные. В перечисленных сетях для передачи электроэнергии используются магистрали, фи­деры или магистрали и фидеры одновременно. Последние, смешанные, получили наибольшее распространение.

Структура СЭЭС — графическое или словес­ное представление системы с указанием состава элементов и связей между ними, а также соот­ношения мощностей входящих элементов.

Схема электрических соединений — схемати­ческое представление связей между источника­ми электроэнергии и пунктами преобразования, распределения и потребления электроэнергии.

Важными понятиями являются понятия ре­жима системы и параметров системы. Режим работы СЭЭС — состояние системы, характеризу­ющееся совокупностью условий и величин в ка­кой-либо момент времени или интервал времени.

Параметр режима — каждая величина из со­вокупности величин, характеризующих данное состояние электроэнергетической системы (на­пряжение, ток, мощность, частота и т. п.).

Параметр системы — каждая величина из со­вокупности величин, характеризующих элект­роэнергетическую систему или её элемент и свя­зывающих между собой параметры режима её ра­боты (активные и индуктивные сопротивления, проводимости, инерционные постоянные и т. п.). Изменение параметров системы приводит к из­менению параметров режима.

Различают нормальные, аварийные, устано­вившиеся и переходные режимы.

Нормальный режим — режим работы в нор­мальных (установленных нормативными доку­ментами) условиях (при нормальных показате­лях качества электроэнергии и при отсутствии аварий).

Аварийный режим — режим работы СЭЭС при возникновении аварий или происшествий или при недопустимом отклонении показателей ка­чества электроэнергии во всей системе или в её части.

Установившийся режим — режим работы сис­темы при практически неизменных параметрах режима или очень медленных их изменениях. Применительно к полупроводниковым устрой­ствам, работа которых характеризуется постоян­ным изменением состава и структуры устройства при неизменной средней мощности за период питающей частоты, говорят о квазиустановившемся режиме. Такой режим может существо­вать и для некоторых других элементов СЭЭС. Послеаварийный режим — установившийся режим работы системы после устранения аварийных ус­ловий (отключения короткого замыкания, устранения перегрузки, ликвидации несинхронно­го или несинфазного включения генераторов и т. д.)

Переходный режим — переход от одного уста­новившегося режима к другому установившему­ся режиму системы. Как уже указывалось, при­чиной переходного процесса является измене­ние параметров системы — активных или индук­тивных сопротивлений или проводимостей. Это коммутации нагрузок, запуски и отключения электродвигателей, короткие замыкания в сис­теме и др.

С момента появления электроэнергии на су­дах имеется устойчивая тенденция повышения суммарной мощности источников электроэнер­гии и потребителей. Интегральным показателем электроэнерговооружённости судна является ко­эффициент электроэнерговооружённости

где — суммарная номинальная мощность всех установленных источников электроэнергии на судне, кВт;

D_ст — стандартное водоизмеще­ние судна, т.

Для некоторых судов коэффици­ент доходит до 300 Вт/т.

Увеличение электроэнерговооружённости суд­на обусловлено:

— повышением мощности систем жизнеобеспе­чения и комфортности экипажа (системы кон­диционирования, обогрева, бытовых приборов и т. д.);

— повышением мощности производственных комплексов;

— повышением мощности средств борьбы за живучесть;

— внедрением средств активного управления, позиционирования, подруливающих устройств, вспомогательных средств электродвижения и др.

9.1.2. Требования, предъявляемые к СЭЭС

Особенности эксплуатации СЭЭС вызывают необходимость предъявлять определённые требования при проектировании, исследовании и постройке новых систем. Разработка и создание новыx систем — это поиск компромиссных решений. СЭЭС проектируется, строится и эксплуатируется с учётом специфики судна и его конкретного назначения, а также требований к ней со стороны других подсистем. Рассмотрим основные требования к СЭЭС.

Бесперебойностъ функционирования в нормальных и определяемых руководящими документами ихов. Требования, проедъявляемые к СЭЭС ававарийных режимах с обеспечением выполнения требований к качеству электроэнергии. К показателям качества относятся:

— отклонения напряжения и частоты от номинального в установившихся и динамических режимах,

— время восстановления напряжения после коммутации нагрузки,

— коэффициент несимметрии напряжения по фазам,

— коэффициент неравномерности нагрузки по фазам трёхфазной сети,

— коэффициент искажения кривой напряжения или коэффициент несинусоидальности,

— коэффициент низкочастотной модуляции, а также для систем постоянного тока коэффициент пульсации напряжения.

На все эти показатели установлены нормы, определяемые Правилами Регистра, инструкциями по эксплуатации и другими документами. Одни из этих показателей являются традиционными, другие, например, коэффициент несинусоидальности — относительно новыми требованиями. Одними из вновь вводимых показателей являются импульсные перенапряжения, обусловленные появлением мощной ста­тической преобразовательной техники и критичностью к этим перенапряжениям изоляции и микропроцессорных элементов. Поэтому в последнее время во всех странах ужесточены требования по генерации перенапряжений, вводятся ГОСТы, нормы и рекомендации по их ограничению.

Надёжность СЭЭС — способность системы сохранять свойства, необходимые для выполнения заданного назначения при нормальных по­вседневных условиях её эксплуатации в течение требуемого времени. Надёжность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определённые сочетания этих свойств. Надёжность СЭЭС обеспечивается качеством и совершенство­ванием элементной базы и структурой сети.

Живучесть СЭЭС — способность системы, получившей аварийное или боевое повреждение, хотя бы частично сохранять работоспособность и по возможности восстанавливать её. За счёт за­щищённости и структурной избыточности по ге­нерируемой мощности и связям система проти­востоит поражающим факторам благодаря пожаро-, взрыво- и ударостойкости, водостойкости и термостойкости. Живучесть системы обеспе­чивается резервированием, размещением и за­щитой, а самих элементов — выбором изоляции и других материалов, степенью защищённости эле­ментов, оптимальных зазоров и др.

Безопасность СЭЭС — способность системы функционировать, не переходя в критическое состояние, угрожающее здоровью и жизни лю­дей, окружающей среде, другим техническим си­стемам или наносящее ущерб в больших масшта­бах. Применительно к СЭЭС к безопасности от­носятся следующие составляющие:

— электробезопасность экипажа (вероятность реализации опасного состояния обуслов­лена металлическим корпусом и низкими сопро­тивлениями изоляции, сложными условиями эксплуатации, необходимостью заземления обо­рудования, ёмкостью сети, однофазными замы­каниями на корпус и др.);

— электромагнитная совместимость с другими подсистемами судна (вероятность реализации опасных состояний обусловлена генерацией элементами системы тех или иных помех, распространяемых индукцион­ными или кондукционными путями (генерация высших гармоник, импульсные перенапряжения и др.);

— ядерная безопасность (вероятность реализации опасных состояний обусловлена риском перебоев в обеспечении всеми необходимыми видами электроэнергии ЯЭУ в нормальных и аварийных режимах);

— безопасность хранения и транспортировки лёгких топлив и других опасных грузов, завися­щая от СЭЭС, включая электростатическую без­опасность.

Экономичность работы СЭЭС. Высокие энер­гетические показатели источников и потребите­лей электроэнергии обеспечивают уменьшение удельного расхода топлива на 1 кВт час выраба­тываемой электроэнергии, а рациональное рас­ходование топлива увеличивает длительность пла­вания судна и другие экономические показате­ли. На экономичность работы электродвигате­лей и других элементов оказывают влияние вы­сокие КПД, cos не только на номинальных, но и на парциальных режимах, высокая надёж­ность, низкие эксплуатационные расходы и др., а также разумное снижение стоимости проекти­рования и постройки за счёт использования от­работанных элементов, унификации и стандар­тизации, сравнения альтернативных вариантов, оптимизации и др.

Маневренность СЭЭС — это способность сис­темы переходить за допустимое время из одного работоспособного состояния в другое в ответ на управляющее или возмущающее воздействие. Маневренность определяется временем запуска резервных или аварийных источников, време­нем принятия и исполнением решений на осно­ве информационной поддержки оператором или управляющей системой, оперативностью систем защит, систем предаварийной автоматики и др.

Виброшумовые характеристики. Доказано, что шумы и вибрации механизмов оказывают вред­ное воздействие на работоспособность и здоро­вье человека. В связи с этим Правилами Гос­санинспекции установлены предельные уровни шумов в судовых помещениях, особенно если в них находится обслуживающий персонал. Пра­вила РМРС предъявляют высокие требования к устойчивости электрооборудования к вибраци­ям. Так, электротехнические средства должны без­отказно работать при вибрациях с амплитудой до 1 мм и частотах до 8 Гц. Снижение шумов и вибраций достигается повышением точности об­работки деталей, уменьшением удельных нагру­зок, использованием новых материалов, уста­новкой амортизаторов и т. д.

Малые массогабаритные показатели. Из-за ограниченности объёмов отсеков судна, необхо­димости обеспечения высоких экономических показателей наблюдается постоянная тенденция уменьшения массы и габаритов элементов СЭЭС. Улучшение удельных показателей по массе и га­баритам достигается увеличением тепловых и электромагнитных нагрузок элементов, интен­сификацией охлаждения, рациональной компо­новкой, использованием новых материалов и др.

Удобство обслуживания и ремонта. Элементы СЭЭС из-за специфики функционирования долж­ны быть удобны и просты в эксплуатации, авто­матизированы, обладать высокой ремонтопри­годностью, снабжены устройствами контроля и защиты, облегчающими и ускоряющими диаг­ностирование состояния и поиск неисправ­ностей.

Это самые общие требования к СЭЭС и их элементам. Их можно расширять, добавлять и детализировать (требования по монтажу, защи­щённости электрооборудования, требования патентно-правовые, эргонометрические, эсте­тические и др.).

Все эти требования достаточно противоре­чивы. Высокие требования по надёжности, живучести и безопасности в общем случае несовме­стимы с требованиями низкой стоимости, ма­лых массогабаритных показателей, а высокие удельные нагрузки несовместимы с требования­ми высокой надёжности, низких виброшумовых характеристик и т. д. Поэтому создание высо­коэффективной СЭЭС, как и всего судна, — это решение многокритериальной задачи как на этапах проектирования, так и на других этапах жизненного цикла судна.

9.1.3. Классификация СЭЭС

Схемы, параметры, расположение элементов СЭЭС и др. определяются назначением, уровнем развития науки и техники, мощностью приём­ников, особенностями эксплуатации и обслужи­вания, а также главной энергетической установ­кой судна, обеспечивающей его ходовые качества. В общем случае СЭЭС можно классифицировать по различным признакам.

1. По принадлежности к типу судна и виду преобразуемой энергии — транспортные, про­мысловые, вспомогательные, суда технического флота и др. Они имеют свои архитектурные при­знаки, районы плавания, энергетические уста­новки, специфику эксплуатации, и это, безус­ловно, отражается на СЭЭС. Электроэнергия может вырабатываться с помощью тепловых или атомных установок, тепловые, в свою очередь, подразделяются на паротурбинные, газотурбин­ные и дизельные. Последние в настоящее время являются самыми распространенными и эконо­мичными.

2. По количеству электростанций — с од­ной, двумя и более электростанциями. Большое количество электростанций увеличивает на­дёжность и живучесть систем, но удорожает стро­ительство и эксплуатацию, усложняет систему.

3. По роду тока — системы постоянного, пе­ременного и смешанного рода тока.

4. По установленной мощности генераторных агрегатов — условно по суммарной мощности генераторов различают системы на малой (до 1 МВт), средней (1—10 МВт) и большой (более 10 МВт) мощности.

5. По степени автоматизации — автомати­зированные системы с дистанционным управле­нием, имеющие относительно простые средства автоматизации (системы пуска дизель-генерато­ров, синхронизации, распределения нагрузок) и системы с программным управлением, в ко­торых сложные законы управления СЭЭС реали­зуются с помощью ЭВМ в зависимости от режи­ма работы судна.

6. По связи СЭЭС с судовой энергетической установкой — автономные, с отбором мощнос­ти от силовых установок, и единые. В авто­номных имеются автономные источники элект­роэнергии — турбогенераторы или дизель-гене­раторы, ГРЩ, РЩ, трансформаторы, выпря­мители, обеспечивающие питанием потребите­лей постоянного тока, щит питания с берега и линии электропередач. В последнее время ав­тономные СЭЭС преимущественно создаются на переменном токе и имеют фидерно-магистраль­ную систему распределения (рис. 9.1), в которой наиболее мощные и значимые потребители по­лучают питание от отдельных фидеров, а осталь­ные — от распределительных щитов.

СЭЭС с отбором мощности от главных энер­гетических установок могут получать энергию не только от автономных источников, но и с по­мощью валогенераторов, приводимых в действие через механическую передачу от судового валопровода или от вала отбора мощности главного двигателя, или турбогенераторов, получающих пар от утилизационных котлов. Существуют и комбинированные системы с валогенераторами и турбогенераторами отбора мощности. Они уве­личивают строительную стоимость, но в ряде случаев повышают

	Рис. 9.1. Электрические структурные схемы авто-­ номной СЭЭС: а — с одной основной электро-­ станцией; б — с двумя основными электростан- ци­ями; в — с одной основной и одной аварийной электростанцией: ПД — первичный двигатель; Г1—Г6 — генера- то­ры; ГРЩ — главный распределительный щит; РЩ — распределительный щит; П — по- треби­тель; ЩПБ — щит питания с берега; АГ — ава­рийный генератор; АРЩ — аварий- ный распре­делительный щит		Рис. 9.2. Структурная схема СЭЭС с отбором мощности от энергетической установки с помощью валогенератора и утилизационного турбогенертора
		Рис. 9.3. Структурная схема единой СЭЭС

 

 

9.1.4. Структурные схемы СЭЭС

По классификации СЭЭС имеют разнообраз­ные структурные схемы. Схемы СЭЭС должны пре­дусматривать как параллельную, так и автоном­ную работу генераторов, обеспечивать электричес­кую защиту, приём питания с берега или другого объекта, управление режимами СЭЭС, проведе­ние осмотров и ремонтов и др. На рис. 9.1-9.3 пред­ставлены типовые структурные схемы СЭЭС. При проектировании судовых электростанций, как правило, предусматривается параллельная рабо­та генераторов. В ряде случаев СЭЭС создаются с двумя электростанциями как из условия обеспечения надёжности, живучести и безопасности, так и из-за необходимости ограничения ава­рийных токов и моментов и обеспечения элект­родинамической стойкости элементов. На рис. 9.4 представлена схема одной из наиболее мощных систем — атомоходов типа «Арктика».

ребные электрические установки

Гребная электрическая установка (ГЭУ) — это особый, как правило, уникаль­ный вид электрической установки, обеспечива­ющий судну новые свойства. В последнее время эти установки получают всё большее распространение. Есть классы судов, традици­онно использующие ГЭУ: ледоколы, паромы, буксиры, круизные суда, спасательные суда, рыбопромысловые базы, подводные аппараты, кабелеукладчики и др.

Рис. 9.5. Схематическое изображе­ние дизель-электрической энергети­ческой установки: а — ледокола; b — рыболовного судна; с — с двухдвигательным приводом (с двигате­лями разной мощности); d — бук­сира. 1 — электродвигатель; 2 — дизель; 3 — гене­ратор.

 

 

ГЭУ делятся:

· по связи с энергетической установкой или электроэнергетической системой — автономные и неавтономные, главные, вспомогательные и комбинированные;

· по типу первичных двигателей — дизельэлектрические, турбоэлектрические, газотурбоэлектрические;

· по роду тока — ГЭУ постоянного, перемен­ного и двойного рода тока;

· по типу гребного двигателя — ГД постоян­ного тока, асинхронный, синхронный, синх­ронный с постоянными магнитами.

В ГЭУ преобразование энергии в общем слу­чае осуществляется по схеме: первичный двига­тель, генератор, преобразователь, двигатель. Это несколько увеличивает массогабаритные показа­тели, построечную стоимость, увеличивает за­траты на ремонт, уменьшает КПД на номиналь­ных режимах, увеличивает число обслуживаю­щего персонала. Однако за счёт рационального проектирования, использования последних до­стижений в развитии электроэнергетики удаётся во многих случаях приблизить показатели к данным традиционных установок, приобретая при этом ряд преимуществ.

В общем случае системы электродвижения имеют следующие достоинства:

— отсутствие непосредственной связи между первичным двигателем и движителем позволяет выбрать оптимальные параметры энергетическо­го ряда и свободную компоновку оборудования ГЭУ;

— могут быть выбраны быстроходные первич­ные двигатели, обладающие лучшими удельны­ми показателями; упрощается их конструкция за счёт нереверсивного исполнения;

— появляется возможность плавного регулиро­вания в широком диапазоне изменения частот вращения гребного вала;

— уменьшается длина гребных валов;

— упрощаются отдельные судовые системы;

— представляются широкие возможности, с одной стороны, для стандартизации и унифи­кации, а с другой – выбора вариантов;

— повышается надёжность и живучесть установ­ки. Возможность дробления мощности и избы­точность переключений в системе распределения позволяет обеспечить резервирование основных элементов;

— повышаются маневренные качества судов как за счёт оперативных переключений, так и за счёт больших перегрузочных способностей гребных электродвигателей;

— повышается экономичность на промежуточ­ных режимах;

— предоставляются широкие возможности для дистанционного и автоматического управления установкой.

— появляется возможность использования ге­нераторов ГЭУ для питания судовых потребите­лей.

Рис. 9.5. Система электродвижения на переменном токе

 

 

Исторически системы электродвижения (СЭД) раз­вивались от систем на постоянном токе к систе­мам двойного рода тока, а затем к системам пе­ременного тока. На рис. 9.5 представлена схема СЭД круизного судна на переменном токе со связью с СЭЭС. Для защиты ряда общесудо­вых потребителей от высших гармоник и импульс­ных перенапряжений используются электрома­шинные преобразователи. В качестве гребных двигателей используются синхронные двигатели в комплексе со статическими преобразователя­ми частоты (циклоконверторами).

 

Заключение

Вместе с другими отраслями науки, тесно связанными с судостроением, интенсивно раз­вивается и электроэнергетика. В последние годы произошёл научный прорыв в области создания новой элементной базы, что обусловлено мик­рореволюцией в корабельной и судовой элект­роэнергетике и предопределило пересмотр взглядов на роль, место и расстановку акцентов в создании новых СЭЭС. Отметим кратко эти достижения, характерные как для отечественной, так и для зарубежной науки.

1. Разработаны и освоены силовые полнос­тью управляемые полупроводниковые приборы, получившие название в нашей стране СКПУ, а за рубежом IGBT, MOSFET и другие, что резко изменило возможности преобразовательной тех­ники, улучшило массогабаритные и энергети­ческие показатели. Эти приборы продолжают ряд силовых полупроводниковых приборов, таких как диоды, триоды, тиристоры, симисторы и име­ют такой же мощностной ряд как тиристоры. Отсутствие необходимости искусственной ком­мутации, высокое быстродействие, малые по­тери привели к существенному уменьшению массогабаритных показателей, упрощению схемы уп­равления и компоновки статических преобразо­вателей. В ряде случаев блок преобразования может умещаться в магнитном пускателе, поэто­му стирается грань между системами переменно­го и постоянного тока. Появилась перспектива создания единых электромеханотронных систем, взявших преимущества как постоянного, так и переменного тока, высокоэффективных регули­руемых электроприводов и систем электродви­жения.

2. Появление высококоэрцитивных магнитов позволило создать класс машин без подвода электроэнергии к ротору, что дало возможность повысить КПД, уменьшить массогабаритные показатели, решить многие эксплуатационные вопросы (уменьшены тепловыделения, отсутствует контактно-щеточное устройство и т. д.).

При реализации пп. 1 и 2 с учётом развития микропроцессорной техники представилась воз­можность создания высокоэффективных вентиль­ных двигателей, обладающих преимуществами как перед двигателями постоянного, так и перемен­ного тока. Интенсивно разрабатывается и вне­дряется вентильный индукторный двигатель — один из самых простых, ремонтопригодных и вы­сокоэкономичных электроприводов. Кстати, многие зарубежные электротехнические и судо­строительные фирмы считают неконкурентно­способными электродвигатели для различных движительных комплексов, если их КПД на номинальном режиме меньше 95 %. Высокий КПД реализуется и на парциальных режимах.

3. Благодаря исследованиям АО «Электро­сила» (Санкт-Петербург), создана электрическая машина открытого исполнения, работающая в морской воде. Новые типы подшипников, изо­ляции и ряд конструктивных новшеств предоп­ределили гидролитическую стойкость работы в морской воде, ресурс на уровне существующих машин, существенное снижение массогабаритных показателей и др. Вместо маслонаполненных электрических приводов со сложной систе­мой компенсации и опасностью нарушения эко­логической обстановки появилась возможность создать ряд электрических машин до 300 кВт с сопротивлением изоляции порядка 500 МОм.

4. Московская компания МНПО «Эконд» разработала (и подтвердила готовность к серий­ным поставкам) новый тип конденсаторов сверх­высокой энергоёмкости «ИКЭ Эконд-супер». Плотность энергии в них в 10 раз выше, чем в лучших традиционных конденсаторах, а мощность импульсного разряда, по утверждению разработ­чиков, до 10 раз выше мощности аккумулятор­ных батарей. Разработан ряд конденсаторов с напряжением до 300 В с запасённой энергией до 40-50 кДж. Серийное освоение таких кон­денсаторов создаёт перспективу создания систем запуска генераторных агрегатов в дискомфортных условиях, различных накопителей электроэнер­гии, разработки блоков бесперебойного пита­ния, что особенно важно при внедрении мик­ропроцессорной техники, критичной к обрывам питания.

5. Всероссийским электротехническим ин­ститутом (ВЭИ) им. В. И. Ленина и другими фирмами разработаны и освоены вакуумные вы­ключатели, успешно работающие не только в большой энергетике, но и в автономной. По своим энергетическим возможностям они приближаются к автоматическим выключателям серии ВА, но обладают рядом таких преимуществ как: высокая износостойкость, полная взрывопожаробезопасность, экологическая чистота, высокое быстродействие, ударо- и вибростой­кость и др.

6. Одной из причин высокой пожароопас­ности корабельных и судовых ЭЭС являются раз­личного рода нагревательные приборы. Санкт-Петербургской фирмой «ГИРИКОНД» отрабо­тана технология создания нагревательных при­боров с заранее «конструируемой» температурой нагрева без всякого регулирования и управле­ния. Базовым материалом является титанат ба­рия. Нелинейный нагревательный элемент ме­няет свое сопротивление в зависимости от тем­пературы. Такие нагреватели обеспечивают массу возможностей по термостатированию, регулиро­ванию, поддержанию дежурных средств и т. д.

Эти и ряд других разработок привели к из­менению концепции о роли и месте электроэнергетики в системе «корабль». Так, в несколь­ких иностранных журналах и статьях предлагается измененить концепцию разработки главных энер­гетических установок. Все операции по движе­нию и маневрированию предлагается осуществ­лять с помощью движительных колонок с элект­роприводом. Использование в движительной колонке двух винтов — в носу гондолы и в кор­ме — повысит пропульсивный КПД движительного комплекса на 10 %; появляется возмож­ность дальнейшего совершенствования и оптимизации использования объёмов судов. Так, фирмой «АВВ-Стремберг» разработаны движительные колонки мощностью до 14 МВт для су­дов водоизмещением в несколько десятков ты­сяч тонн

Литература

1. Фрид Е.Г. Устройство судна: Учебник. – Л.: Судостроение, 1990.

2. Допатка Р., Перепечко А. Книга о судах. Пер. с нем. - Л.: Судостроение, 1981.

3. Нечаев Ю.И., Царёв Б.А., Челпанов И.В. Профессия – судостроитель (Введение в специальность): Учебник. – Л.: Судостроение, 1987.