Судовые электроэнергетические системы

Аналитический метод расчета нагрузки разработан на основе обобщения статистических материалов по эксплуатации электростанций ряда серий построенных судов.

В инженерной практике до настоящего времени широко применяют табличный (детерминированный) метод расчета нагрузки, при котором нагрузка СЭС определяется отдельно в каждом характерном режиме работы судна.

3.2. Табличный метод определения мощности СЭС

Этот метод так назван потому, что для определения мощности СЭС используется таблица нагрузок СЭС ( таблица 2.1 ).

Таблица нагрузок предназначена для расчета нагрузки судовой электростанции в каждом из режимов работы судна ( электростанции ), предусмотренных Правилами Регистра для данного типа судна.

Примерный вид таблицы приведен ниже ( таблица 2.1 ).

Таблица 2.1. (левая часть )

Таблица нагрузок судовой электростанции

	Наименование приемников электроэнергии	Исходные данные
		n,шт.	Р,кВт	Р,квт	cos ц	з,%
1	2	3	4	5	6	7
1	Рулевое устройство	2	35	38	0,86	88
2	Брашпиль	1	50	52	0,89	90
3	Шпиль	1	38	41	0,88	89
4	Краны грузовые	4	40	43	0,88	90
5	Лебедки грузовые	8	34	37	0,85	88
6	Вентиляторы трюмов	16	6	7	0,78	86
7	Насосы пресной воды главного двигателя	2	26	28	0,82	88
8	Насосы забортной воды главного двигателя	2	30	31	0,85	86
9	Топливные насосы главного двигателя	2	18	19	0,8	76
10	Масляные насосы главного двигателя	2	20	22	0,82	78
11	Насосы пресной воды вспом. двигателей	2	20	22	0,82	78
12	Насосы забортной воды вспом. двигателей	2	6	7	0,78	80
13	Топливные насосы вспом. двигателей	2	8	9	0,79	82
14	Масляные насосы вспом. двигателей	2	4	5	0,69	68
15	Главный компрессор	1	45	47	0,89	90
16	Подкачивающий компрессор	1	26	28	0,82	88
17	Компрессор хозяйственных нужд	1	6	7	0,78	80
18	Насосы топливоперекачивающие	2	7	9	0,79	82
19	Сепараторы топлива	2	8	9	0,79	82
20	Сепараторы масла	2	6	7	0,78	80
21	Валоповоротное устройство	1	12	14	0,79	74
22	Насосы санитарной воды	2	5	6	0,75	78
23	Насосы бытовые пресной воды	2	6	8	0,78	80
24	Питательные насосы котлов	2	4	5	0,69	68
25	Циркуляционные насосы котлов	2	5	7	0,78	80
26	Вентиляторы машинного отделения	6	15	17	0,79	75
27	Вентиляторы котельного отделения	2	12	14	0,79	75
28	Пожарные насосы главные	2	50	52	0,89	90
28	Пожарный насос вспомогательный	1	25	27	0,82	88
29	Насосы балластные	2	40	42	0,88	90
30	Насосы осушительные	2	36	38	0,86	88
31	Компрессор системы кондиционирования	2	28	30	0,84	87
32	Насосы системы кондиционирования	2	14	16	0,8	74
33	Вентиляторы системы кондиционирования	2	6	8	0,79	81
34	Камбузные плиты	1	4	3	1,0	100
35	Электродвигатели камбуза	3	3	4	0,65	65
36	Электропечь хлебопекарная	1	6	6	1,0	100
37	Рефрижераторная установка	5	4	5	0,65	68
38	Радиооборудование	1	10	12	0,74	72
39	Электронавигационные приборы	3	4	5	0,69	68
40	Электродвигатели мастерской	3	4	5	0,69	68
41	Освещение ( лампы накаливания )		50	50	1	100
42	Освещение ( люминисцентные лампы )		38	38	0,9	100
43	Другое моторное оборудование		200	220	0,8	88
…
…
…
A	Cуммарная активная Р = и реактивная Q = мощности периодически и непрерывно работающих приемников
B	То же, с учетом коэффициента одновременности режима Р= kР и Q= k Q
C	То же, с учетом потерь в линии: активная Р= k Р, реактивная Q= Q и полная S = мощности
D	Средневзвешенный коэффициент мощности режима cos= Р/ S

Таблица 2.1 (правая часть )

Таблица нагрузок судовой электростанции

		Ходовой режим	Режим маневров и др.
		Режим работы	m	k	k	з	cosц	Общая потребляемая мощность	Режим работы	m	k	k
								Р, кВт	Q, кВАр
	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
…
…
…
A								Р	Q
B								P	Q
C								Р	Q
								S
D								cosц

Колонки таблиц заполняются так:

1. номера приёмников электроэнергии по порядку;

2. наименование приёмников электроэнергии;

3. общее количество однотипных приёмников электроэнергии n, шт.;

4. установленная мощность одного механизма Р, кВт;

5. номинальная мощность одного электродвигателя Р, кВт;

6. номинальный коэффициент мощности электродвигателя cos ц;

7. номинальный коэфф. полезного действия электродвигателя з, %.

В колонку 8 вносят суммарную мощность, потребляемую всеми электродвигателями данного приемника из сети, которую рассчитывают по формуле

= ( Р/ з) n( 2.1 ),

где: Р- номинальная мощность двигателя, кВт ( колонка 5 );

з- номинальный КПД двигателя ( колонка 7 ), выраженный в относительных единицах ( для чего значение КПД двигателя делят на число 100 );

n - общее количество однотипных приёмников электроэнергии, шт ( колонка

3 ).Далее таблица нагрузок развёртывается по эксплуатационным режимам работы судна: ходовой, манёвров ( съёмка с якоря ), аварийный, стоянка с грузовыми операциями.

В каждом режиме приёмники электроэнергии работают в одном из 3-х режимов:

1. эпизодический,

2. периодический;

3. непрерывный.

В эпизодическом режиме ( ЭР ) приёмники включаются одно- или многократно, общее время работы - менее 3,5 часов в сутки ( 15% времени суток ). К таким приемникам относятся: брашпиль, шпиль, подкачивающий компрессор, компрессор хозяйственных нужд, валоповоротное устройство, пожарные насосы главные и вспомогательные в режиме маневров, электродвигатели камбуза, электропечь хлебопекарная и др.

В периодическом режиме ( ПР ) приёмники включаются многократно, общее время работы - от 3,5 до 17 часов в сутки ( 15 - 70% ). К таким приемникам относятся: главный компрессор в режиме маневров и аварийном, топливоперекачивающие насосы, сепараторы топлива и масла, пожарные насосы главные и вспомогательные в ходовом и аварийном режимах, насосы санитарной и пресной воды, питательные насосы котлов, балластные и осушительные насосы, компрессор системы кондиционирования, рефрижераторная установка, камбузные плиты, радиооборудование, электродвигатели мастерской и др.

В непрерывном ( НР ) режиме приёмники включаются одно- или многократно, общее время работы - от 17 до 24 часов в сутки ( 70 - 100% ). К таким приемникам относятся: рулевое устройство, грузовые лебедки и краны, вентиляторы трюмов, топливные и масляные главного и вспомогательных двигателей, циркуляционные насосы котлов, вентиляторы машинного и котельного отделений, насосы и вентиляторы системы кондиционирования, освещение ( лампы накаливания и люминисцентные ), другое моторное оборудование.

В колонки 9, 17, 25, 33 и 41 вносят условное обозначение режима работы приёмника - «ЭР» - эпизодический, «ПР» - периодический, «НР» - непрерывный.

В колонки 10, 18, 26, 34 и 42 вносят число m однотипных приемников, работающих в данном режиме. Это число зависит от степени ответственности приемника и режима работы судна.

На судах особо ответственные и ответственные судовые механизмы и устройства резервируются.

Например, на каждом судне установлено 2 рулевых электропривода, в ходовом режиме работает один из них ( m = 1 ), в то же время в режиме маневров, особенно когда судно проходит узкости, работают оба электропривода ( m = 2 ).

Резервируются насосы главного двигателя - по два топливных, масляных, пресной и забортной воды, поэтому в режимах ходовом, маневров, аварийном работает по одному из них ( m = 1 ).

Сказанное выше справедливо и для насосов вспомогательных двигателей ( дизель-генераторов ).

При стоянке с грузовыми операциями следует считать, что все грузовые устройства ( лебедки и краны ) работают одновременно, и т.п.

В режимах ходовом, маневров и аварийном, когда работает главный двигатель,включена большая часть вентиляторов МО, в то же время на стоянке часть из них может быть отключена и т.д.

В колонки 11, 19, 27,35 и 43 вносят значение коэффициента одновременности работы однотипных приемников

k= m / n( 2.2 ),



где: m - число однотипных приемников, работающих в данном режиме ( колонка 10 ),

n - общее количество однотипных приёмников электроэнергии ( колонка 3 ).

Значение коэффициент одновременности, в основном, зависит степени ответственности приемника и режима работы судна

Для единичного потребителя всегда k= 1 / 1 = 1.

В то же время особо ответственные и ответственные судовые механизмы и устройства резервируются.

Например, на каждом судне установлено 2 рулевых электропривода, в ходовом режиме работает один из них, поэтому коэффициент одновременности k= m / n = 1 / 2 = 0,5. В то же время в режиме маневров, особенно когда судно проходит узкости, работают оба электропривода, поэтому коэффициент одновременности k= m / n = 2 / 2 = 1.

Резервируются насосы главного двигателя - по два топливных, масляных, пресной и забортной воды, поэтому в режимах ходовом, маневров, аварийном работает по одному из них, для этих насосов k= 1 / 2 = 0,5.

Сказанное выше справедливо и для насосов вспомогательных двигателей ( дизель-генераторов ).

В режимах ходовом, маневров и аварийном включена большая часть вентиляторов МО, в то же время на стоянке часть из них может быть отключена и т.д.

В колонки 12, 20, 28, 36 и 44 вносят значение коэффициента загрузки к3 электродвигателя в данном режиме, который в общем виде находят по формуле

к= kk( 2.3 ),



где: k= Р/ Р- коэффициент использования двигателя ( колонки 4 и 5 таблицы нагрузок индивидуального задания ),

k= Р/ Р- коэффициент загрузки механизма в данном режиме,

где: Р - фактически потребляемая мощность механизма;

Р - установленная мощность механизма ( колонка 4 ).

Значение коэффициента загрузки механизма kзависит от режима работы судна.

Поскольку на стадии проектирования СЭЭС фактическую загрузку механизма определить невозможно, значение kвыбирают из таблицы 2.2 . В ней приведены обобщенные значения коэффициентов загрузки разных механизмов. Эти значения получены в результате эксплуатации большого числа серий судов разных типов ( сухогрузные, для перевозки наливных грузов, универсальные и др. ).

Таблица 2.2.

Коэффициенты загрузки механизмов ( k) в разных режимах

Приемники электроэнергии	Режимы
	ходовой	маневров	стоянка	стоянка с грузовыми операциями	Аварийный с работой основной электростанции
1	2	3	4	5	6
Рулевое устройство	0,3...0,4	0,4...0,6	-	-	0,4...0,6
Брашпиль	-	0,7...0,9	-	-	-
Краны, лебедки	-	-	-	0,5...0,8	-
Насосы главного двигателя	0,8...0,9	0,7...0,8	-	-	0,7...0,8
Сепараторы	0,6…0,8	-	0,4…0,6	0,4…0,6	-
Насосы котельной установки:
конденсатный	0,8...0,9	0,8...0,9	0,8...0,9	0,8...0,9	0,8...0,9
циркуляционный	0,8...0,9	0,8...0,9	0,8...0,9	0,8...0,9	0,8...0,9
питательной воды	0,5...0,7	0,5...0,7	0,5...0,7	0,5...0,7	0,5...0,7
Насос пожарный	0,8...0,9	0,8...0,9	-	-	1,0
Насос балластно-осушительный	0,7...0,9	0,7...0,9	0,7...0,9	0,7...0,9	0,8...0,9
Компрессор главный	-	0,8...0,9	-	-	-
Компрессор подкачивающий	0,7...0,9	-	0,7...0,9	0,7...0,9	0,7...0,9
Вентиляторы	0,8…1,0	0,8…1,0	0,8…1,0	0,8…1,0	0,6...0,8
Кондиционеры	0,7…0,8	0,7…0,8	0,7…0,8	0,7…0,8-
Плиты камбуза	0,5...0,9	0,5...0,9	0,5...0,9	0,5...0,9	-
Мастерская	0,3…0,4	0,3…0,4	0,3…0,4	0,3…0,4	0,3…0,4
Навигационное оборудование	0,4...0,6	0,5...0,7	-	-	0,5...0,7
Зарядный агрегат	0,7...0,9	-	0,7...0,9	0,7...0,9	-
Сеть освещения	0,6...0,7	0,6...0,7	0,6...0,8	0,6...0,8	0,7...0,8
Радиооборудование	0,5…0,6	0,5…0,6	0,2...0,3	0,2...0,3	0,7...0,8

В колонки 13, 21, 29, 37 и 45 вносят значение коэффициента полезного действия электродвигателя в данном режиме з, которое находят ( рис.2.1, а ) в зависимости от коэффициента загрузки к ( колонки 12 и др. ).

На рис. 2.1, а следует принять, что значения этого коэффициента отложены по оси абсцисс, т.е. к= Р(о.е. - относительные единицы ).

Если коэффициент загрузки электродвигателя к? 0,75, то можно принять cosц = cosц ( т.е. не пользоваться рис. 2.1, а ).

В колонки 14, 22, 30, 38 и 46 вносят значение коэффициента мощности электродвигателя в данном режиме cosц, которое находят ( рис. 2.1, б ) в зависимости от коэффициента загрузки к ( колонки 12 и др. ).

На рис. 2.1,б следует принять, что значения этого коэффициента отложены по оси абсцисс, т.е. к= Р( о.е. - относительные единицы ).

Если коэффициент загрузки электродвигателя к? 0,6, то можно принять sinц = sinц ( т.е. не пользоваться рис. 2.1, б ).



Рис. 2.1 Зависимость коэффициента полезного действия з ( кривые 1 ) и коэффициента мощности cosц ( кривые 2 ) асинхронных двигателей от коэффициента его загрузки к( мощности Р, выраженной в относительных единицах о.е ):

а) для двигателей мощностью до 10 кВт;

б ) для двигателей мощностью 10…75 кВт

В колонки 15, 23, 31, 39 и 47 вносят значение суммарной потребляемой однотипными приёмниками активной мощности в данном режиме

Р = k* к*( 2.4 ),

где: k, к и - значения, указанные в колонках соответственно 11, 12 и 8.

В колонки 16, 24, 32, 40 и 48 вносят суммарную потребляемую однотипными приёмниками реактивную мощность

Q = Р*tg ц = Р* tg ( arc cosц ),

при этом значение tg ц находят по значению коэффициента мощности cos ц при помощи калькулятора или тригонометрических таблиц.

После заполнения всех колонок и строчек находят итоговые значения ( нижняя часть таблицы нагрузок ( строчки «А», «В», «С» и «D»):

строчка «А» суммарные значения активной

Р = ( Р_п.р + Р)

и реактивной

Q = (Q _п.р + Q)

мощностей для периодически и непрерывно работающих приёмников;

строчка «В» те же значения мощностей Р и S, с учётом коэффициента одновременности работы приёмников в каждом режиме

Р= к_0.р ( Р_п.р + Р)

и Q = к_0.р (Q _п.р + Q).

где коэффициент одновременности режима к_0.р характеризует вероятность одновременной работы всех приемников в данном режиме ( таблица 2.3 )



Таблица 2.3

Значения коэффициента одновременности работы приемников электроэнергии в зависимости от режима работы судна ( электростанции )

	Режимы работы судна ( электростанции )
	ходовой	маневров	стоянка безгрузовых операций	стоянка с грузовыми операциями	Аварийный с работой основной электростанции
коэффициент одновременности режима к0.р	0,8...0,9	0,75...0,8	0,7…0,75	0,75...0,8	0,9...1,0

Строчка «С»

те же значения мощностей Ри S с учётом коэффициента потерь мощности в линии к

Р= к* Р, S= S( 2.5 ),

значение которого зависит от водоизмещения судна, а именно: для малых судов (водоизмещением до D = 2000 р.т ) к= 1,02, для средних ( D = 2000…10000 р.т) к= 1,03, для крупных ( D>10000 р.т) к= 1,04. полная ( кажущаяся ) мощность ( кВ*А )

S= ( 2.6 ).

Строчка «D»

средневзвешенный коэффициент мощности каждого режима

cos ц = Р/ S( 2.7 ).



Значение cos цвлияет на порядок выбора генераторов по мощности, а именно:

1. если cos ц? cos цвыбираемого генератора, то генератор выбирают по активной мощности;

2. если cos ц< cos цвыбираемого генератора, то генератор выбирают по реактивной мощности.

Технические характеристики судовых синхронных генераторов приведены в Приложении 2.

При этом следует учесть, что у генераторов серий МСК, МСС, ГСС, ГМС, 2СН cos ц= 0,8, а у генераторов серии ТК2-2 cos ц= 0,7.

Результаты расчета мощности СЭС в каждом режиме работы судна используются для выбор количества и мощности генераторов в этих режимах.

3.3 Выбор количества и мощности генераторов в режимах работы судна

Правильный выбор состава генераторов позволяет обеспечить безаварийную и эко-

номичную работу СЭС. Для выбора используют результаты расчета нагрузки СЭС во всех режимах работы.

Общую установленную мощность генераторов находят по режиму с наибольшим значением нагрузки, после чего приступают к выбору количества и мощности генераторов в каждом режиме. Для этого намечают несколько вариантов состава генераторов СЭС,

Сравнивают их по технико-экономическим показателям и выбирают оптимальный вариант.

При выборе необходим учитывать т р е б о в а н и я П р а в и л Р е г и с т р а :

1. на каждом судне должно быть не менее двух основных источников электроэнергии, причем одним из них может быть ВГ;

2. мощность генераторов должна быть такой, чтобы при выходе из строя любого из них оставшиеся обеспечили питание ответственных приемников электроэнергии в режимах ходовом, аварийном и маневров;

3. суммарная мощность всех генераторов переменного тока должна быть достаточной для пуска самого мощного АД в случае выхода из строя любого генератора.

Кроме того, при выборе генераторов руководствуются следующим:

1. нагрузка выбранных генераторов при работе в продолжительных режимах (ходовой, стоянка) должна составлять 70- 90 % номинальной, а при работе в кратковременных режимах (маневров, аварийный) нагрузка ДГ может быть снижена до 50-60 %, ТГ - до 40-50 %, ВГ - до любого уровня;

2. количество генераторов СЭС в большинстве случаев составляет 2-4, при этом 2 или 3 генератора продолжительно работают параллельно, а один находится в резерве.

3. целесообразно выбирать генераторы одного типа, что обеспечивает взаимозаменяемость деталей и узлов генераторов, а также облегчает их ТО;

4. установка стояночного ДГ меньшей мощности по сравнению с основными в большинстве случаев нецелесообразна;

5. увеличение количества генераторов посредством уменьшения единичной мощности позволяет повысить их загрузку, но усложняет схему СЭС и затрудняет обслуживание электростанции.

Мощность аварийных источников электроэнергии определяется количеством и мощностью особо ответственных приемников, перечень которых оговаривается Правилами Регистра СССР.

3.4 Экономическая эффективность СЭС

Э ко н о м и ч е с к у ю э ф ф е к т и в н о с т ь СЭС на стадии проектирования определяют сравнением для 2-3 вариантов комплектации судовой электростанции значений приведенных затрат, сроков окупаемости и себестоимости электроэнергии.

Приведенные затраты 3 = Э + 0,15К, где Э - годовые эксплуатационные расходы;

К - капитальные вложения. В сумму капитальных вложений (строительную стоимость) обычно включаются прейскурантная цена оборудования СЭС, транспортные расходы и расходы на монтаж. Эксплуатационные расходы образуются затратами на амортизацию, ремонт, топливо, смазочные материалы и обслуживание СЭС.

Судовые электростанции во всех режимах должны работать надежно и экономично, причем приоритет отдается надежности. На практике это означает, что ГА электростанции во всех или большинстве режимов работы недогружены по мощности, что ведет к перерасходу топлива: при мощности дизеля 75 и 50 % номинальной удельный расход топлива составляет соответственно 102-105 % и 107-112 % номинального.

3.5 Методы повышения экономичности СЭС

Повысить экономичность СЭС можно разными способами.

На стадии проектирования этого добиваются тщательной проработкой вариантов комплектации СЭС с целью обеспечения в каждом режиме загрузки генераторов по верхним пределам допускаемых нагрузок, включением в состав генераторов ВГ и УТГ.

Валогенераторные установки не получили должного распространения на транспортных судах, однако широко применяются на промысловых, что связано с возможностью обеспечения работы траловых лебедок при помощи ВГ в режиме малого хода судна.

Примером удачно спроектированных можно считать СЭС некоторых серий теплоходов отечественной и зарубежной постройки, на которых ходовой режим обеспечивается работой одного УТГ.

Для повышения экономичности СЭС в процессе эксплуатации можно рекомендовать следующее:

1. в каждом режиме обеспечивать загрузку генераторов по верхним пределам, для чего своевременно устранять избыточный запас мощности СЭС отключением одного или нескольких генераторов;

2. уменьшать время нахождения энергетической ( силовой ) и других установок в состоянии готовности, при котором включена группа мощных приемников электроэнергии ( охлаждающие насосы пресной и забортной воды, масляные, топливные и др. );

3. исключать работу СТС в режиме холостого хода, для чего своевременно отключать их;

4. предотвращать кратковременные увеличения нагрузки, при которых автоматически пускается резервный ДГ;

5. при групповых стоянках (например, на ремонте) организовывать снабжение электроэнергией нескольких судов от СЭС одного судна.

Возможность питания судна с берега должна решаться в каждом отдельном случае, так как стоимость электроэнергии при энергоснабжении с берега может оказаться выше, чем производимой на судне. Определенный эффект может дать нормирование для серий судов расхода электроэнергии и его учет при помощи счетчиков электроэнергии.

4. Генераторные агрегаты

4.1 Основные сведения

Генераторным агрегатом называют устройство, предназначенное для производства электроэнергии и состоящее из приводного двигателя и самого генератора.

На современных судах применяют 3 типа ГА, получившие название в соответствии с типом ПД: дизель-генераторы, турбогенераторы и газотурбогенераторы.

Выбор типа ГА определяется типом энергетической установки, обеспечивающей ход судна. Такой подход позволяет получить оптимальные технико-экономические показатели обоих комплексов - энергетической и электроэнергетической установок.

На п а р о х о д а х, где энергетической установкой является комплекс котел - паровая турбина, применяют ТГ и ДГ. Турбогенераторы получают пар в ходовом режиме от главных котлов, а на стоянке - от вспомогательного или дежурного главного с пониженными паропроиз-водительностью и давлением. Дизель-генераторы могут быть использованы как в ходовом режиме, работая параллельно с ТГ, так и на стоянке, при остановленных ТГ.

На т е п л о х о д а х, где СЭУ представляет комплекс с двигателем внутреннего сгорания, применяют ДГ. При мощности ГД свыше 11-15 МВт целесообразно применение УТГ, который использует теплоту отработавших газов ГД.

4.2 Приводные двигатели генераторных агрегатов

На судах в качестве приводных двигателей СГ и ГПТ применяют дизели, а также паровые и газовые турбины.

Д и з е л ь - поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Пуск двигателя проводится сжатым воздухом или при помощи электростартера, получающего питание от АБ. Тем самым обеспечивается автономность работы и быстрота пуска (до 30 с), что позволяет широко использовать ДГ в качестве основных, резервных и аварийных источников электроэнергии. Дизели более экономичны по сравнению с турбинами, достаточно надежны и просты в эксплуатации. Ресурс судовых дизелей относительно высок и составляет 30-40 тыс. ч.

К недостаткам дизелей следует отнести их малую перегрузочную способность (не более 10 % номинальной мощности в течение 1 ч) и неравномерность хода, отрицательно влияющую на устойчивость параллельной работы ДГ. Для уменьшения неравномерности число цилиндров дизеля должно быть четным, кроме того, часто на его валу устанавливают маховик. Для соединения генераторов и дизелей применяют эластичные и жесткие муфты. Генераторы некоторых типов прикрепляют к дизелю фланцем, поэтому они имеют один подшипник.

Т у р б и н а - двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию пара, газа или воды.

Паровые турбины перед пуском должны быть прогреты, причем время прогрева достигает 1 ч. Они менее экономичны, чем дизели, вследствие 2-кратного преобразования энергии, однако имеют повышенную перегрузочную способность (до 20 % номинальной мощности), значительно надежней дизелей и имеют больший ресурс (до 50 тыс. ч). Равно- мерность вращения ротора обеспечивает устойчивость параллельной работы ТГ.

Поскольку паровые турбины имеют частоты вращения до 14 тыс. об/мин, а генераторы - 1000,1500 и 3000 об/мин, между турбиной и генератором устанавливают редуктор.

Газовые турбины соединяют в себе достоинства дизеля и паровой турбины. Они автономны в работе, так как конструктивно выполнены вместе с камерой сгорания и компрессором, не требуют прогрева перед пуском, время пуска составляет 30-50 с. Эти турбины имеют небольшие размеры и массу, относительно большой ресурс (до 20 тыс. ч), надежны. К их недостаткам относят большой удельный расход топлива и повышенную шумность.

5. Генераторы переменного тока

5.1 Эксплуатационные характеристики

На современных судах в качестве генераторов переменного тока применяют 3-фазные СГ.

Наиболее важные эксплуатационные свойства СГ можно оценить при помощи внешних и регулировочных характеристик.

В н е ш н я я х а р а к т е р и с т и к а - это зависимость напряжения на выводах обмотки статора генератора от тока нагрузки при номинальной частоте вращения и постоянных значениях тока возбуждения и коэффициента мощности, т.е . U ( I ) при n = n= const, I= const, cosц = const (рис. 2.2, а ).

Иначе говоря, эта характеристика показывает, насколько хорошо генератор «держит» напряжение при изменении тока нагрузки, создаваемого приемниками электроэнергии.

Наклон внешней характеристики, или статизм (%), определяется изменением напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальному:

Д U = [ ( U- U ) / U ]*100( 2.8 ),

где Uи U - напряжения соответственно холостого хода и номинального.

Рис. 2.2. Внешние ( а ) и регулировочные ( б ) характеристики СГ при разных нагрузках: 1 - активной; 2 - активно-индуктивной; 3 - активно-емкостной

При активной нагрузке (см. рис. 2.2, а, кривая 1) увеличение тока нагрузки от I = 0 до I = I приводит к уменьшению напряжения, что объясняется увеличением падения напряжения в обмотке статора и усилением размагничивающего действия реакции якоря по поперечной оси.

При активно-индуктивной нагрузке (см. рис. 2.2, о, кривая 2) уменьшение напряжения при набросе нагрузки наблюдается в большей степени, так как с увеличением тока усиливается размагничивающее действие реакции якоря по продольной оси.

В случае активно-емкостной нагрузки (см. рис. 2.2, а, кривая 3) увеличение тока вызывает увеличение напряжения вследствие усиления подмагничивающего действия продольной составляющей реакции якоря.

Из сравнения проведенных внешних характеристик следует, что напряжение СГ зависит не только от значения, но и от характера тока нагрузки. Изменение напряжения СГ при переходе от режима холостого хода к номинальному положительно при активной и индуктивной нагрузках и отрицательно при емкостной.

Для равномерного распределения реактивной нагрузки при параллельной работе СГ необходимо иметь возможность изменять наклон характеристик и перемещать их параллельно самим себе. Наклон внешней характеристики устанавливается в процессе настройки АРН и при работе не изменяется. Параллельное перемещение характеристики обеспечивается установлением нового фиксированного значения тока возбуждения при помощи реостата возбуждения при ручном регулировании или автоматического регулятора напряжения. При увеличении тока возбуждения внешняя характеристика перемещается вверх, при уменьшении - вниз.

Р е г у л и р о в о ч н а я х а р а к т е р и с т и к а - это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при номинальной частоте вращения и постоянных значениях напряжения на выводах генератора и коэффициента мощности, т. е. т.е . I( I ) при U = U= const, n = n= const, cosц = const (рис. 2.2, б). Эти характеристики представляют собой как бы зеркальное отображение внешних характеристик.

При активной нагрузке увеличение тока нагрузки вызывает уменьшение напряжения генератора (см. рис. 2.2, а, кривая 1), поэтому для поддержания этого напряжения ток возбуждения надо увеличить (см. рис. 2.2, б, кривая 1).

При активно-индуктивной нагрузке напряжение уменьшается в большей степени, чем при активной, поэтому для сохранения равенства U = = U= const ток возбуждения приходится увеличивать также в большей степени (см. рис. 2.2, б, кривая 2).

При активно-емкостной нагрузке ток возбуждения необходимо уменьшать (см. рис. 2.2, б, кривая 3), так как увеличение тока нагрузки приводит к увеличению напряжения.

Регулировочные характеристики используются, в основном, в двух случаях:

1. при переводе и распределении реактивной нагрузки синхронных генераторов;

2. при расчете и построении автоматических регуляторов напряжения ( АРН ).

5.2 Системы возбуждения синхронных генераторов

На судах для стабилизации напряжения СГ применяют различные системы возбуждения и автоматического регулирования напряжения, в которых изменение тока возбуждения происходит автоматически.

Сведения об АРН подробно изложены ниже ( раздел 1.3. «Системы регулирования частоты вращения ГА и напряжения генераторов»).

Поэтому ограничимся рассмотрением систем возбуждения СГ, которые бывают трех видов: с независимым возбуждением, с самовозбуждением и смешанная (рис. 2.3).



Рис. 2.3. Принципиальные схемы систем возбуждения СГ:

а - независимой; б - с самовозбуждением; в - смешанная ( бесщеточный синхронный генератор )

При н е з а в и с и м о м в о з б у ж д е н и и (рис. 2.3, а) в качестве источника возбуждения используется возбудитель В - генератор постоянного тока небольшой мощности с параллельной обмоткой возбуждения ОВВ, сидящий чаще всего на одном валу с синхронным генератором СГ. Регулятор возбуждения R предназначен для регулирования напряжения вручную. Применение в качестве возбудителя добавочной электрической машины постоянного тока усложняет конструкцию и снижает надежность СГ.

Такая система применялась до начала 60-х годов XX столетия.

Создание мощных и надежных полупроводниковых вентилей обеспечило переход на с а м о в о з б у ж д е н и е СГ, при котором мощность для цепи возбуждения отбирается от 3-фазной обмотки статора СГ и подается в обмотку возбуждения ОВГ через трансформатор Т и выпрямитель UZ (рис. 2.3, б).

В обоих выше рассмотренных случаях на валу СГ находятся 2 контактных кольца с установленными на них щетками, что усложняет конструкцию и снижает надежность генераторов. Для облегчения работы щеточного аппарата напряжение возбуждения уменьшают до нескольких десятков вольт (например, при помощи трансформатора), но одновременно увеличивают ток возбуждения. Это позволяет сохранить мощность цепи возбуждения в необходимых пределах ( 5-10 % номинальной мощности СГ).

Указанных недостатков лишены бесщеточные СГ, имеющие с м е ш а н н о е в о з б у ж д е н и е (рис. 2.4 ).

Судовые бесщеточные СГ могут быть выполнены с асинхронным ( рис.2.3, в ) и синхронным возбудителем.

БСГ с асинхронным возбудителем ( рис. 2.3, в ) устроен так. В общем корпусе БСГ находятся два генератора - основной синхронный и вспомогательный асинхронный. Вспомогательный по отношению к основному является его возбудителем, его мощность - не более 10% от номинальной мощности основного генератора.

Основной генератор имеет на статоре 3-фазную обмотку 1, соединенную «звездой», а на явно выраженных полюсах ротора - обмотку возбуждения постоянного тока 2.

Вспомогательный генератор имеет две 3-фазных обмотки: обмотку статора 5 и обмотку ротора 4.

Принцип действия БСГ состоит в следующем. При вращении ротора БСГ возникающая в 3-фазной обмотке статора 1 ЭДС подается на обмотку статора 5 асинхронного генератора. В результате в обмотке статора возникает вращающееся магнитное поле (такое же, как при подаче напряжения на обмотку статора 3-фазного асинхронного двигателя ).

Это поле пересекает вращающуюся вместе с ротором 3-фазную обмотку 4 и индуктирует в ней 3-фазную ЭДС, которая через выпрямитель 2 подается на обмотку возбуждения 2 основного генератора. Полупроводниковые диоды выпрямителя 2 закреплены на роторе, т.е. вращаются вместе с ним.

БСГ с синхронным возбудителем устроен примерно так же. В общем корпусе БСГ находятся два синхронных генератора - основной и вспомогательный. Вспомогательный по отношению к основному является его возбудителем, его мощность - не более 10% от номинальной мощности основного генератора.

Основной генератор имеет на статоре 3-фазную обмотку, соединенную «звездой», а на явно выраженных полюсах ротора - обмотку возбуждения постоянного тока.

Вспомогательный генератор по отношению к основному имеет обращенную («перевернутую» ) конструкцию - у него на явно выраженных полюсах статора находится об-

мотка возбуждения постоянного тока , а на роторе - 3-фазная обмотка , соединенная «звездой».

Принцип действия БСГ состоит в следующем. При вращении ротора БСГ возникающая в 3-фазной обмотке статора ЭДС выпрямляется и через регулятор напряжения подается на обмотку возбуждения возбудителя.

При этом в обмотке ротора индуктируется 3-фазная ЭДС, которая через выпрямитель подается на обмотку возбуждения основного генератора. Полупроводниковые диоды выпрямителя 2 закреплены на роторе, т.е. вращаются вместе с ним.

Таким образом, система возбуждения БСГ сочетает характерные признаки систем с независимым возбуждением (имеется возбудитель в виде синхронного или асинхронного вспомогательного генератора ) и самовозбуждением (мощность для возбуждения возбудителя отбирается от обмотки статора основного генератора ).

5.3 Основные типы судовых СГ

На судах отечественной постройки применяют СГ следующих серий: МСК - морской синхронный с кремнийорганической изоляцией, МСС - морской синхронный с самовозбуждением, ГМС - генератор морской синхронный, ГСС - генератор синхронный с самовозбуждением, СБГ - судовой бесщеточный генератор и др.

Судовые СГ выполняют на напряжения 400 и 230 В, с соединением обмоток статора соответственно по схемам "звезда" и "треугольник", в диапазоне мощностей 30-2000 кВт при номинальном коэффициенте мощности соsц = 0,8.

Серии построены по принципу нарастания мощности при среднем коэффициенте нарастания 1,25-1,5, что облегчает выбор числа и мощности ГА и обеспечивает экономичную работу СЭС во всех режимах работы судна. Частоты вращения генераторов составляяют 500, 750,1000, 1500 и 3000 об/мин. В качестве ПД применяют дизели (при частоте вращения генератора 750 - 1500 об/мин) или турбины (при 1000, 1500 и 3000 об/мин).

Судовые СГ выпускают в горизонтальном исполнении на лапах, с одним свободным концом вала для соединения с турбиной через редуктор или при помощи муфты - с дизелем. Возможно фланцевое исполнение СГ. Самовентиляция осуществляется по замкнутому и разомкнутому циклам. Изоляция обмоток генераторов классов В, Р и Н. Режим работы СГ всех типов продолжительный ( S1 ).

В зависимости от типа и мощности СГ при номинальных напряжении, частоте и рабочей температуре выдерживают перегрузку по току 10 % номинального в течение 60-120 мин, 25 % в течение 10-30 мин, 50 % в течение 1-5 мин. Без механических и тепловых повреждений генераторы выдерживают 3-фазное КЗ в течение 5-10 с, при этом ударный ток КЗ не превосходит 14-17-кратного значения амплитуды номинального тока, а установившийся ток КЗ составляет не менее 3- 4-кратного значения номинального тока.

5.4 Техническое обслуживание и ремонт судовых генераторов

Техническое обслуживание судовых генераторов

Целью ТО является обеспечение исправного технического состояния ГА и длительное поддержание их эксплуатационных характеристик на заданном уровне.

Объем, характера и сроков проведения работ устанавливают Правила технической эксплуатации морских и речных судов Украины, часть 6 «Электрооборудование».

В соответствии с упомянутыми ПТЭ, различают три вида технического обслуживания электрических машин, в том числе и генераторов:

1. ТО: без разборки (ТО № 1);

2. ТО с частичной разборкой (ТО № 2);

3. ТО с полной разборкой (ТО № 3).

При ТО № 1 необходимо: вскрыть смотровые и вентиляционные отверстия; осмотреть контактные кольца (коллекторы), щеточный аппарат и обмотки статора и ротора (якоря); затянуть доступные ко...