CC BY
40УДК 621.313
И.И. Лебедев, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
АНАЛИЗ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В данной статье представлена схема модернизации гребной электрической установки. В качестве объекта модернизации была выбрана гребная электрическая установка постоянного тока, обмотки которой питаются от независимого источника питания.
В данной статье автор предлагает запитать гребную установку от основной судовой сети переменного тока с помощью применение полупроводниковых преобразователей напряжения на тиристорах в цепи возбуждения гребных электродвигателей.
Ключевые слова: гребные установки, тиристоры.
I.I. Lebedev, A.A. Marchenko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
ANALYSIS OF CIRCUIT SOLUTIONS OF ROWING ELECTRICAL UNITS OF ALTERNATING CURRENT
The scheme of upgrade of the rowing electrical unit is presented in this article. As an object of modernization, a direct current rowing electric unit was selected, the windings of which are powered by an independent power source.
In this article the author suggests to power rowing unit from the main ship alternating current network byusing semiconductor voltage converters on thyristors in the excitation circuit of rowing motors.
Key words: rowing units, thyristors.
Несмотря на развитие всевозможных методов по транспортировке грузов, в полярных районах самым распространенным средством для перевозок сегодня и на ближайшее время останутся ледокольно-транспортные суда и ледоколы. По этой причине сегодня также актуальны вопросы постоянного совершенствования флота ледокольных судов. Сегодня модернизация ведется как в отношении кораблестроительных элементов, так и энергетических установок.
Тенденция повышения мощности ледоколов является характерной для всех стран. При этом ступенчатое увеличение мощности происходит постоянно полуторакратным или двукратным увеличением. Качество ледоколов зависит от технических возможностей их энергетических установок, а также упора гребных винтов. По этой причине поиск наиболее рациональных типов энергетических установок ведется постоянно. Сегодня существует множество проектов гребных установок, таких как комбинированные установки, установки с гидропреобразователями и т. д. Наряду с положительными качествами такие системы имеют множество недостатков.
При проектировании энергетической установки производится сравнительный анализ основных и вспомогательных характеристик. К основной группе обычно относят характеристики маневренные, механические, частичных режимов, надежности. Также важными являются массогабарит-ные характеристики, которые напрямую влияют на размещение, осадку и автономность плавания судна [1]. Вспомогательными характеристиками являются: уровень автоматизации, удобство управления, ремонтопригодность. Опыт эксплуатации показал, что основными режимами работы ледокольного судна (по нескольку суток) являются маневренные режимы при среднем количестве реверсов не более 20 в час.
Энергетическая установка таких судов должна обеспечивать от 15 до 30 реверсов в час в зависимости от мощности. При ходе судна во льдах время реверса с полной мощностью не должно превышать 10 с с момента перекладки рукоятки поста управления до начала работы винта в обратном направлении вращения.
При ледовом плавании сопротивление движению судна постоянно меняется, и момент гребного винта значительно изменяется, часто он может меняться до швартовного. В случаях плавания во льдах при наличии мелкобитого льда с мокрым снегом (шуги) момент сопротивления может оказаться больше моментов, соответствующих швартовному режиму.
Также значительно возрастает нагрузка первичных двигателей при работе судна на мелководье. В режимах, когда происходит взаимодействие винта со льдом длительностью около 10 с и более, возникает дополнительный момент, который может достигать двукратного номинального значения и более. В таких режимах может произойти поломка винта вследствие заклинивания винта. Из этого следует, что механическая характеристика привода винта должна учитывать повышение момента вращения, которое способствовало бы исключению заклинивания винта, а также работу первичных двигателей без перегрузки. Кроме того механическая характеристика должна обеспечивать поддержание постоянства и использование полной мощности первичных двигателей при значительном изменении момента сопротивления.
Также необходимо учитывать высокую скорость наброса дополнительного момента при взаимодействии винта со льдом. В некоторых случаях увеличение момента сопротивления до максимальной величины, которая превышает номинальную более чем в два раза, происходит за очень малое время, равное 0,05 с. Элементы электропривода должны выдерживать такую высокую динамику увеличения момента сопротивления, а система регулирования должна ограничивать параметры во избежание выхода из строя отдельных элементов и систем защиты. Одним из важнейших критериев при выборе энергетической установки судна является надежность и эффективность работы гребной установки в режимах взаимодействия винта со льдом.
Также одними из важнейших являются частичные режимы [2]. Гребная электрическая установка ледокола может долгое время функционировать в частичных режимах. Применяются различные меры по предотвращению заклинивания винта в этих режимах. Во-первых, применяется поддержание постоянной мощности в диапазоне изменения характеристик винта, как при полной мощности. Во-вторых, увеличение автономности плавания судна также положительно влияет на характеристики гребного винта. В таких целях применяются частичные режимы, т. е. работа с уменьшением количества первичных двигателей или с уменьшением мощности. В длительных по времени режимах работы ледокольных судов (в таких режимах энергетическая установка работает при нагрузке до 50% номинальной. С этой целью для увеличения автономности плавания ледоколов необходимо, чтобы энергетическая установка имела высокие показатели коэффициента полезного действия не только в режимах полной мощности, но и в широком диапазоне частичных уровней мощности. Такие меры могут применяться для продления сроков между двумя бункеровками или (для атомоходов) перезарядками активной зоны, осуществление которых значительно повышает эксплуатационные расходы. В качестве примера на рис. 1 представлена схема ГЭУ с асинхронным ГЭД, регулируемым по системе вентильного каскада.
Рис. 1. Схема ГЭУ с асинхронным ГЭД, регулируемым по системе вентильного каскада
В данной схеме регулирование частоты вращения гребного электродвигателя осуществляется при помощи преобразователя частоты в цепи ротора двигателя. Реверсирование осуществляется с помощью контактного или бесконтактного реверсоров в цепи статора. Динамические свойства такой системы удовлетворительны, но многополюсность и высокие массогабаритные показатели гребного электродвигателя делают эту систему малопригодной для распространения на судах. Суммарная установленная мощность тиристорного преобразователя и переключателя велика. Преобразователь частоты в такой схеме должен быть рассчитан на полное напряжение и полный ток ротора, что делает суммарную установленную мощность полупроводникового преобразователя и переключателя слишком большой.
Вариантом вентильного каскада может выступить двойной машинно-вентильный каскад, который состоит из двух асинхронных двигателей и преобразователя частоты. Обмотка статора первого двигателя получает питание от генераторов, обмотки роторов соединены последовательно. Обмотка статора второго двигателя также получает питание от преобразователя частоты.
В этой схеме отсутствуют контактные кольца, и количество полюсов каждой машины может быть уменьшено, однако конструкция их усложняется, особенно у ледоколов, у которых для надежности целесообразно иметь по два двигателя на винт.
На рис. 2 представлена схема ГЭУ с преобразователем частоты.
Рис. 2. Схема ГЭУ с преобразователем частоты
Гребной электродвигатель может быть выполнен с числом полюсов, наиболее выгодным для заданной частоты вращения. Регулирование частоты вращения и реверсирование двигателя осуществляются с помощью преобразователя частоты. Одним из главных преимуществ применения данной схемы является то, что частоты напряжения генератора и гребного электродвигателя могут быть выбраны независимо друг от друга. Наиболее целесообразным является диапазон частот генераторов от 100 до 200 Гц, а гребного электродвигателя около 15-25 Гц.
Как известно, возможно применение двух вариантов схем преобразователя частоты: преобразователя со звеном постоянного тока и непосредственного преобразователя.
В последней применяются импульсно-фазовое регулирование напряжения управляемого выпрямителя и широтно-импульсное регулирование в цепи постоянного или переменного тока.
В системе с синхронным турбогенератором, преобразователем частоты и синхронным двигателем, работающим в качестве вентильной или самоуправляемой синхронной машины, управление преобразователем частоты производится в зависимости от положения ротора или ЭДС синхронного двигателя. Возможно использование различных преобразователей частоты - непосредственных и со звеном постоянного тока.
В схемах с преобразователями частоты установленные мощности турбогенераторов и гребных электродвигателей несколько выше, чем в схеме с непосредственным питанием синхронного гребного электродвигателя от синхронного генератора. Это обусловлено, с одной стороны, потреблением реактивной мощности для коммутации тока в тиристорах, с другой стороны, влиянием добавочных потерь, вызываемых гармониками тока и напряжения на типовую мощность машин.
При больших мощностях целесообразно использовать НПЧ, выполненные по эквивалентным многофазным схемам на входе и выходе, особенно когда единичная мощность вентиля оказывается недостаточной для создания схем с минимальным числом параллельно и последовательно включенных элементов.
На рис. 3 приведены схемы включения НПЧ, выполненного по эквивалентной двенадцати-фазной схеме, на трехфазный (рис. 3, а) или двенадцатифазный (рис. 3, б) ГЭД в ГЭУ с единой электростанцией.
При высоком входном напряжении целесообразно применение понижающих трансформаторов, исключающих последовательное соединение вентилей.
При использовании схемы, приведенной на рис. 3, б, коэффициент нелинейных искажений кривой потребляемого тока снижается до 17-20%. Фазовый сдвиг обмотки ГЭД на 30 эл. град позволяет снизить модуляцию основной гармоники первичного тока более чем в два раза и повысить вдвое частоту модуляции.
I—**
а б
Рис. 3. Трансформаторные двенадцатифазные мостовые схемы НПЧ
При дальнейшем увеличении мощности ГЭУ вместо каждого из мостов в схемах, показанных на рис. 3, целесообразно применять два трехфазных моста с поочередным управлением или схему, приведенную на рис. 3, что значительно улучшает энергетические характеристики на входе НПЧ. Для уменьшения этого влияния в преобразователях частоты применяются эквивалентные 12-фазные (12-импульсные) схемы, в машинах - демпферные обмотки и плетеные провода.
Представляют интерес системы электродвижения, в которых используются непосредственные преобразователи частоты с эквивалентными 12-фазными схемами обмоток синхронного генератора и гребного электродвигателя.
Применение двенадцатифазного ГЭД обеспечивает надежную работу ГЭУ, так как при отключении нескольких фаз ГЭД продолжает работать с пониженной мощностью. В таком ГЭД отсутствуют паразитные от 5-й и 7-й гармоник, вызывающие наибольшие трудности при фильтрации (а также от гармоник, кратных трем), что улучшает механические характеристики и уменьшает электромагнитные шумы. Эти ГЭД имеют меньшие габариты системы управления и более высокий коэффициент мощности.
Типовая мощность синхронного турбогенератора должна быть выбрана с учетом эквивалентного коэффициента мощности и добавочных потерь. 12-импульсные схемы генератора и гребного электродвигателя определяют минимально необходимое число тиристоров - 144, а по мере роста мощности происходит увеличение кратной величины.
Современные тиристоры на ток 500, 800 и 1 000, а в рабочем напряжении до 2 500 В позволяют создать преобразователь частоты мощностью до 20 000 кВт (с учетом необходимых перегрузок). Управляемые выпрямители применяются также для возбуждения генераторов и двигателей, обеспечивая быстрое нарастание и гашение поля машин.
Предварительные расчеты показали, что габаритные размеры и масса основного силового оборудования гребных электрических установок двойного тока и переменного тока с преобразователем частоты для ледоколов мощностью 75 000 л. с. примерно одинаковы. Для ледоколов большей мощности оборудование гребных установок переменного тока имеет меньшие размеры и массу. Существенным преимуществом таких установок является отсутствие коллекторных машин.
В системах электродвижения с применением преобразователей частоты число генераторов может быть не связано с числом гребных электродвигателей. Также синхронные генераторы могут работать как на общие шины, так и на две системы шин для улучшения надежности. Регулирование частоты вращения гребного электродвигателя осуществляется при помощи преобразователя частоты.
Системы электродвижения переменного тока имеют множество преимуществ. Они позволяют осуществить отбор мощности от главных генераторов для питания бортовой сети судна. Целесообразным может оказаться применение комбинированной системы, в которой электростанция связана с шинами главных генераторов через преобразователь частоты со звеном постоянного тока. Такая схема позволит обеспечить взаимную работу и резервирование двух систем.
Литература
1. Акулов Ю.И. Гребные электрические установки / Ю.И. Акулов. - 3-е изд. - М.: Транспорт, 1982.- С. 102-105.
2. Марченко А.А. Энергоэффективное нагружение асинхронных электродвигателей в процессе послеремонтных испытаний / А.А. Марченко, Н.Н. Портнягин // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - СПб.: ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, 2014. - Вып. 6. - С. 76-84.
