Гребные электрические установки

Размещено на http://allbest.ru

Гребные электрические установки



1. Классификация ГЭУ

Гребные электрические установки (ГЭУ) могут быть классифицированы по следующим признакам:

1. по роду тока - переменного, постоянного и переменно-постоянного тока ( двойного рода тока );

2. по типу первичного двигателя - дизель-электрические, турбо-электрические и газотурбоэлектрические;

3. по системе управления - с ручным управлением и с автоматическим управлением;

4. по способу соединения гребного электродвигателя с винтом - с прямым соединением и с зубчатым соединением.

В гребных электрических установках постоянного тока в качестве главных генераторов применяются генераторы с независимым возбуждением, а в качестве гребных электродвигателей - двигатели с независимым возбуждением.

В гребных электрических установках переменного тока в качестве главных генераторов применяются синхронные машины, а в качестве гребных электродвигателей -- синхронные или асинхронные.

Появление мощных управляемых полупроводниковых выпрямителей привело к созданию ГЭУ переменно-постоянного тока ( двойного рода тока ).

Преимуществами ГЭУ переменно-постоянного тока являются:

1. высокая надежность и экономичность синхронных генераторов;

2. плавное и экономичное регулирование частоты вращения гребного электродвигателя, управляемого выпрямителем;

3. возможность питания электроэнергией всех судовых потребителей от главных генераторов (единая электростанция переменного тока).



2. ГЭУ постоянного тока

2.1 Основные сведения

Гребные электрические установки постоянного тока, в которых гребные двигатели и питающие их генераторы являются электрическими машинами постоянного тока, отличаются простотой, удобством и плавностью регулирования частоты вращения гребных винтов в широком диапазоне их моментов нагрузки.

ГЭУ постоянного тока используются в установках малой и средней мощности на судах с высокой маневренностью.

Ограничение мощности ГЭУ постоянного тока определяется тем, что создание электрических машин большой мощности на постоянном токе сложнее, чем на переменном.

2.2 Схемы включения генераторов и гребных двигателей ГЭУ постоянного тока

В ГЭУ постоянного тока используется ряд вариантов основных схем включения генераторов и гребных электрических двигателей. Некоторые из них приведены на рис. 1.



Рис.1. Схемы соединения генераторов и двигателей в ГЭУ постоянного тока

Схема с последовательным включением генераторов и якоря двигателя (рис. 1, а) позволяет получить повышенное напряжение питания двигателя, поскольку напряжения генераторов суммируются при номинальном токе генератора.

Например, если напряжение генератора 600 В, то на двигатель будет подано 1200 В. По требованию Правил Регистра - это предельное значение напряжения, которое допустимо между двумя любыми точками цепи главного тока ГЭУ.

В ГЭУ с последовательным соединением генераторов возможна опасная аварийная ситуация, если один из первичных двигателей лишается подачи топлива, например, из-за заклинивания топливного насоса дизеля.

Через генератор продолжает при этом идти ток главной цепи. Создается большой отрицательный момент на валу генератора, который остановит аварийный первичный двигатель и начнет вращать его в обратную сторону, что приведет к крупным повреждениям дизеля. Эту ситуацию следует быстро фиксировать соответствующими датчиками (частоты вращения, давлении воды, масла), которые выдают сигнал аварийной остановки и обеспечивают снятие возбуждения генератора.

Схема с параллельным включением генераторов (рис.1, б) обеспечивает удобство включения и отключения отдельных генераторов.

Если генераторы установлены на одном валу, то равномерность их нагрузки обеспечивается относительно просто.

Если генераторы имеют различные первичные двигатели, то равномерное распределение нагрузок достигается с помощью дополнительных мер, например путем введения перекрестных связей между последовательными обмотками возбуждения.

На рис.1, в приведен пример схемы одноконтурной ГЭУ с последовательным соединением четырех генераторов и двух двигателей. Такая схема, в которой чередуются пара генераторов и один двигатель, позволяет понизить напряжения между любыми двумя точками цепи до двойного напряжения одного генератора и тем самым повысить безопасность обслуживания ГЭУ.

ГЭУ такого состава генераторов и ГЭД может иметь и двухконтурную структуру: каждый электродвигатель питается от своей пары последовательно (или параллельно) соединенных генераторов. Два контура ГЭУ обеспечивают большую надежность работы установки в целом.

2.3 Принципиальная схема дизельной электрической установки (ДГЭУ) на постоянном токе

Пример принципиальной схемы дизельной электрической установки (ДГЭУ) на постоянном токе показан на рис.2.



Рис.2. Принципиальная схема дизельной электрической установки на постоянном токе

Подобные . схемы используются на буксирах, судах ледового плавания и ледоколах

Основные элементы установки:

1. первичный двигатель ПД, частота вращения которого поддерживается постоянной регулятором Р, изменяющим расход топлива;

2. генератор постоянного тока Г с двумя обмотками возбуждения;

3. гребной двигатель Д;

4. возбудительный агрегат, состоящий из асинхронного приводного двигателя АД, возбудителя генератора ВГ и возбудителя двигателя ВД;

5. : пост управления ПУ, расположенный в ходовой рубке или ЦПУ.

При перемещении рукоятки на ПУ из нулевого в заданное положение движок потенциометра ПР смещается из положения «0» и напряжение подается на первую обмотку возбудителя, по которой пойдет ток возбуждения возбудителя генератора I, создающий поток возбуждения возбудителя генератора Ф.

В возбудителе генератора ВГ появляется ЭДС, создающая ток в его обмотке самовозбуждения, ток в обмотке возбуждения генератора и связанный с ним поток Ф.

В генераторе возникает ЭДС, которая создает ток I в якорной цепи генератора и двигателя. Двигатель имеет постоянный поток возбуждения Ф, и поэтому при появлении тока I возникает момент М, вращающий якорь двигателя и винт.

Для ограничения тока при пуске и создания мягкой характеристики ГЭУ предусматривается обратная отрицательная связь по току: пропорционально току I возникает поток Ф второй обмотки возбуждения, размагничивающей ВГ и тем самым ослабляющий ЭДС генератора.

Такая схема называется схемой с трехобмоточным возбудителем. Компенсационная обмотка КО и обмотки дополнительных полюсов ДП электродвигателя играют в схеме роль сопротивления, падение напряжения на котором пропорционально току I.

Рис.3. Механические характеристики ГЭУ постоянного тока при регулировании возбуждения генератора ( а) и гребного электродвигателя (б)

Типичные механические характеристики гребных электродвигателей постоянного тока при регулировании тока возбуждения генератора I и тока возбуждения двигателя I(при постоянстве тока якоря I) показаны на рис.3.

Статические режимы работы ГЭУ определяются, как и в любом электроприводе, точками пересечения механических характеристик электродвигателя и характеристик греб

ного винта. Последние показаны на рис. 3, б для полного хода судна (1) и при стоянке на швартовых (2).



3. ГЭУ переменного тока

3.1 Типы гребных электродвигателей

В классических схемах ГЭУ переменного тока используются генераторы синхронного типа и синхронные или асинхронные гребные электродвигатели.

Такие ГЭУ переменного тока проектируются для судов с относительно редкими изменениями режима движения.

3.2 Уровень напряжений

Для ГЭУ переменного тока характерно использование повышенных напряжений:

при мощности ГЭУ до 10 МВт - 3 кВ,

при больших мощностях - до 6 кВ.

Номинальная частота принимается на электроходах отечественной постройки обычно 50 Гц.

В ГЭУ переменного тока повышенной мощности (более 10 МВт) устанавливаются турбины (ТЭГУ ), а при малых и средних мощностях (до 10--15 МВт) -- дизели ( ДЭГУ).

3.3 Способы регулирования скорости гребных электродвигателей

Регулирование частоты вращения гребных электродвигателей в ГЭУ переменного тока с винтами фиксированного шага ВФШ обеспечивается преимущественно изменением частоты напряжения генераторов (частоты вращения первичных тепловых двигателей), а также путем использования в качестве гребных электродвигателей асинхронных машин с фазным ротором.

Частотное управление угловой скоростью гребных электродвигателей переменного тока оказывается энергетически выгодным, так как при этом достигается минимизация их электрических потерь. Вместе с тем это отрицательно сказывается на технических характеристиках первичных двигателей с широким регулированием их частоты вращения.

3.4 Реверс ГЭД

Изменение направления вращения гребных электродвигателей достигается переключением фаз в главной цепи, число которых, как правило, выбирается равным трем.

3.5 Структурные схемы ГЭУ переменного тока

В ГЭУ переменного тока устанавливают, как правило, несколько ГЭД и генераторов, включаемых параллельно.

Режимы параллельной работы генераторов ГЭУ при регулировании в широких пределах частоты напряжения для изменения скорости хода судна требуют прецизионного ( особо точного ) синхронного регулирования частоты вращения первичных двигателей также при широких пределах ее изменения. Это необходимо для того, чтобы при регулировании подачи топлива частота тока каждого параллельно включенного генератора изменялась бы одинаково ( синхронно ).

Рис. 4. Регулирование частоты вращения ГЭД асинхронного типа с фазным ротором с потерей ( а ) и рекуперацией ( б ) энергии скольжения



Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей с фазным ротором путем обычного включения в цепь ротора реостатов R ( рис. 14.4, а) связано со значительной потерей энергии на их нагрев.

Поэтому энергетически более выгодна вентильно-каскадная схема рекуперации потерь роторной цепи (потери на скольжение) в цепь главного тока через вентильный выпрямитель В и преобразователь электромашинного типа Д - СГ (рис. 14.4, б) или через полупроводниковый управляемый преобразователь. В этом случае механическая энергия, подкручивающая винт, а значит, ротор ГЭД, переводит ГЭД в генераторный режим. Электроэнергия, вырабатываемая гребным электродвигателем, возвращается (рекуперируется) через управляемый выпрямитель В в сеть, что экономично.

Одним из способов обеспечения регулирования режима работы ГЭУ переменного тока, который позволяет избежать трудностей регулирования частоты вращения двигателей переменного тока, является использование винтов регулируемого шага.

3.6 Принципиальная схема одновальной ТЭГУ на переменном токе

Принципиальная схема возможного варианта одновальной турбоэлектрической установки на переменном токе, показанная в качестве примера на рис. 5, имеет две турбины Т1 и Т2 с регуляторами Р1 и Р2, дистанционно связанными с постом управления ПУ, с которого осуществляет ся плавное изменение частоты вращения гребного синхронного двигателя Д и винта В.

Возбудительный агрегат ВГ- АД -ВД с зависимым параллельным включением обмоток возбудителей генераторов ОВГ и двигателя ОВД обеспечивает регулируемое возбуждение этих машин. Автоматы А и переключатель П предназначены со ответственно для включения генераторов Г1 и Г2 и переключения следования фаз(реверса) гребного двигателя Д.



Рис. 5. Принципиальная одновальная ТГЭУ на переменном токе

Реверс установки осуществляется в следующем порядке. Прежде всего снижают частоту вращения гребного вала путем воздействия на регуляторы турбин, затем плавно уменьшают напряжение всех синхронных машин. Когда ток в главной цепи спадает до нуля, производят коммутацию реверсивного переключателя П.

Далее повышают напряжение генераторов и двигателей и увеличивают подачу рабочего тела G в турбины. При снижении напряжения параллельно работающих генераторов может произойти выпадение их из синхронизма, поэтому должно быть предусмотрено обеспечение синхронности вращения генераторов при снятом возбуждении.

генератор дизельный гребной



4. ГЭУ двойного рода тока

4.1 Основные сведения

Гребными установками двойного рода тока называются такие установки, в которых в качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного тока, а в качестве гребных электродвигателей - электродвигатели постоянного тока.

Появление таких установок стало возможным благодаря развитию полупроводниковой техники, на базе которой были созданы выпрямители двух типов:

1. неуправляемые, выходное напряжение которых не регулируется;

2. управляемые с регулируемым выходным напряжением.

Появление мощных, на сотни кВт, выпрямителей позволило объединить высокие маневренные качества ГЭУ постоянного тока с достоинствами ГЭУ переменного тока (возможность применения высокооборотных первичных двигателей, малые массогабаритные показатели).

4.2 Структурная схема ГЭУ двойного рода тока с неуправляемым выпрямителем

Структурная схема гребной электроустановки двойного рода тока с неуправляемым выпрямителем в виде одного из возможных вариантов представлена на рис.6.



Рис..6. Структурная схема ГЭУ двойного рода тока

Синхронный генератор СГ, питающий гребной электродвигатель постоянного тока ГЭД независимого возбуждения, вращается первичным двигателем ПД с постоянной частотой щ.

Гребной электродвигатель ГЭД постоянного тока подключается к синхронному генератору через неуправляемый выпрямитель НВ.

Регулирование выпрямленного напряжения U осуществляется изменением тока в обмотке возбуждения синхронного генератора ОВГ , при помощи тиристорного возбудителя генератора ТВГ. Последний управляется регулятором возбуждения УВГ в зависимости от сигнала с пульта управления ПУ, режима главной цепи (тока I и напряжения U) и уставок максимального тока Iи эталонного напряжения Uэ

В схеме возбуждения ГЭД применяется реверсивный тиристорный возбудитель ТВД, управляемый отдельным регулятором УВД. Этот возбудитель предназначен для реверса ГЭД.

Синхронный генератор, неуправляемый выпрямитель и гребной электродвигатель образуют систему, аналогичную по структуре ГЭУ постоянного тока.

Однако механические характеристики такой схемы ГЭУ менее жестки, чем у ГЭУ постоянного тока, благодаря большим внутренним сопротивлениям СГ и НВ.

Пуск гребного электродвигателя осуществляется.подачей тока одновременно в обмотки возбуждения СГ и ГЭД. При этом пусковые токи I меньше, чем у ГЭУ постоянного тока.

Необходимая величина электромагнитного момента ГЭД при заклинивании винта обеспечивается формой внешней характеристики синхронного генератора, выпрямителя и жесткой обратной связью по току (кI).

Режим постоянства мощности ГЭУ в широком диапазоне частот вращения ГЭД автоматически обеспечивается двумя жесткими отрицательными обратными связями (по току I и напряжению U ), которые вводятся в регуляторы возбуждения.

Реверс ГЭД производится изменением направления тока в обмотке возбуждения двигателя ОВД, которое осуществляется реверсивным тиристорным возбудителем ТВД.

Именно ГЭУ двойного рода тока с неуправляемыми выпрямителями в цепи якорей ГЭД постоянного тока была реализована на ледоколе-атомоходе «Арктика», что обеспечило:

1. высокую маневренность (широкий диапазон регулирования частоты ГЭД и достаточную быстроту ее изменения) и простоту управления ГЭУ;

2. возможность создания турбогенераторных агрегатов без редукторов и удобство их компоновки в машинном отделении;

3. снижение шумности и вибрации элементов ГЭУ;

4. повышение КПД установки;

5. наибольшую простоту исполнения и надежность работы ГЭД и их питания.

4.3 ГЭУ двойного рода тока с ВРШ

Применение ВРШ для ГЭД имеет следующие преимущества:

1. постоянство частоты вращения двигателей генераторов;

2. постоянство частоты вращения гребного электродвигателя, а значит, гребного винта.

Регулирование скорости винта осуществляется изменением угла поворота лопастей на ВРШ, а реверс - изменением направления поворота лопастей относительно нулевого положения.

Постоянство частоты вращения первичных двигателей гребных электроустановок обусловливает возможность отбора мощности от шин системы электродвижения для общесудовых потребителей (ОСП), а также более рационального использования установленной мощности судовой электростанции.

В зависимости от вида выпрямительного устройства в главной цепи возможны два типа ГЭУ двойного рода тока:

1. с неуправляемыми (на диодах) выпрямителями (статическими преобразователями);

2. с управляемыми (на тиристорах) выпрямителями (статическими преобразователями).

Схемы главного тока ГЭУ двойного рода тока аналогичны схемам ГЭУ постоянного тока, но предельная мощность синхронных генераторов не ограничена и число их определяется только соображениями надежности и живучести.

Статические преобразователи выполняются по шести- или двенадцатифазным схемам выпрямления. Кроме того, в схемах с управляемыми выпрямителями включаются токоограничивающие и фильтрующие дроссели.

Выпрямительные мосты на стороне постоянного тока могут быть соединены последовательно или параллельно. Выпрямительные мосты включаются на разные, сдвинутые на 30 эл. град., обмотки сдвоенных генераторов или через трансформаторы для предотвращения коротких замыканий через последовательно соединенные вентили.



4.4 Сравнение эксплуатационных свойств ГЭУ двойного рода тока и ГЭУ постоянного и переменного тока

Гребные электроустановки двойного рода тока превосходят по своим характеристикам ГЭУ как постоянного, так и переменного тока.

ГЭУ двойного рода тока имеют лучшие массо-габаритные показатели, чем ГЭУ постоянного тока, из-за применения дизелей с повышенной частотой вращения и турбин без редукторной передачи.

Благодаря отсутствию коллектора синхронные генераторы легче, чем генераторы постоянного тока. Так, синхронный генератор мощностью 1000 кВт при частоте вращения 1000 об/мин имеет относительную массу 6,3 кг/кВт при относительной массе 9 кг/кВт генератора постоянного тока той же мощности и частоты вращения.



5. Техническая эксплуатация ГЭУ

5.1 Основные сведения

Основная задача при эксплуатации ГЭУ - обеспечить ее безотказную и безаварийную работу и постоянную готовность к действию, что достигается выполнением следующего:

1. квалифицированное обслуживание;

2. своевременное пополнение судов с ГЭУ сменно-запасными частями и материалами;

3. определение объемов профилактических и ремонтных работ, выполняемых судовым экипажем;

4. выполнение графиков профилактических осмотров и ремонтов в соответствии с инструкциями по обслуживанию электрооборудования ГЭУ;

5. проведение расширенных испытаний и наладка ГЭУ в соответствии с целевым назначением судна;

6. постоянный контроль загрязнения изоляционных поверхностей угольной пылью и маслом в электрических машинах ГЭУ;

7. проверка состояния кабелей и заделка их оконцеваний.

В комплекс мероприятий ТЭ входят: обслуживание, уход и ремонт.

5.2 Обслуживание ГЭУ

Обслуживание ГЭ включает: пуски электрооборудования, остановки, набор требуемых схем и поддержание соответствующих режимов, переключения различного рода, проверку и наблюдения за работающими механизмами и аппаратурой, т. е. всю оперативную работу, выполняемую обслуживающим персоналом во время несения вахт.



5.3 Подготовка ГЭУ к работе

Подготовка ГЭУ к работе начинается задолго до того, как будет подана команда о запуске машин. Запас времени необходим для выполнения различных работ, связанных с пуском установки.

На электроходах, находящихся в эксплуатации, ГЭУ должна находиться в определенной готовности. Готовность - это то максимально допустимое время, в течение которого ГЭУ вводится в действие. Практически это время между подачей команды о запуске дизелей и передачей управления на мостик.

Время готовности устанавливается капитаном или вахтенным штурманом. При переводе установки в новую готовность время действия ее начинается по истечении действия ранее заданной готовности.

Например, ГЭУ находится в 2-часовой готовности. При объявлении другой готовности она вступает в силу только через 2 ч.

Получив распоряжение вахтенного штурмана о подготовке машины к работе и уточнив время передачи управления на мостик, вахтенный электромеханик записывает это приказание в вахтенный журнал и докладывает об этом старшему электромеханику.

Подготовка ГЭУ к работе во многом зависит от того, в какой готовности она находилась. При продолжительной готовности (2 -8 ч) отдельные узлы установки могут выводиться из работы с таким расчетом, чтобы успеть закончить работу в течение заданной готовности.

В этом случае, получив указание о подготовке установки к работе, заканчиваются все ремонтные и профилактические работы, производится осмотр машин, щитов и прилегающих площадей. Замеряют сопротивление изоляции, и результаты заносят в вахтенный журнал. Проверяют в работе преобразователи, возбудители, вентиляцию главных машин, машинные телеграфы и другие механизмы.

Главные машины проворачивают валоповоротным устройством, при этом должно быть подано масло на все подшипники. Убедившись в исправности всех узлов, вахтенный электромеханик, докладывает старшему электромеханику о готовности установки к пуску.

Если гребная установка находится в кратковременной готовности (15--30 мин), выполнять какие-либо работы, связанные с разборкой узлов и машин не разрешается.

Аппаратуру и машины осматривают заранее. Перед пуском проверяют сопротивление изоляции и результаты заносят в вахтенный журнал.

Подготовка ГЭУ к пуску производится в соответствии с инструкцией по эксплуатации данной установки, «Правилами технической эксплуатации» и «Правилами техники безопасности».

5.4 Опробование ГЭУ в работе

Управление ГЭУ может быть переключено на мостик только после предварительного опробования с поста управления, расположенного в машинном отделении. Работу установки проверяют сначала без нагрузки по щитовым приборам, а затем в различных режимах.

Проверка защиты от снижения оборотов первичных двигателей производится поочередным снижением оборотов на машинах, результаты проверки заносятся в вахтенный журнал.

Проворачивание гребного винта возможно только после разрешения вахтенного штурмана и механика. Получив разрешение, вахтенный электромеханик делает пробное проворачивание на один-два оборота в обе стороны, наблюдая при этом по щитовым приборам за работой схемы. Перед проворачиванием необходимо убедиться, что отключено валоповоротное устройство, это особенно относится к схемам, не имеющим блокировки валоповоротного устройства.

Убедившись в исправной работе всех узлов ГЭУ, управление может быть переключено на мостик, о чем сообщается капитану или вахтенному штурману дополнительно по телефону или сигнализацией. Одновременно сообщается о том, сколько машин находится в работе и какой режим работы машин.

Вахтенный штурман, управляющий нагрузкой ГЭУ, должен знать характерные особенности данной установки (скорость перекладки рукоятки поста, время отработки команд, возможности перегрузки машин и т. д.). Время переключения управления на мостик заносится в вахтенный журнал.

5.5 Наблюдение за работой ГЭУ при несении вахты

Во время работы ГЭУ в обязанности вахтенного электротехнического персонала входит:

1. наблюдение за работой главных генераторов, ГЭД, состоянием их коллекторов, щеточного аппарата, за коммутацией и системой охлаждения и смазки;

2. наблюдение за работой возбудительных агрегатов и регуляторов в их цепях;

3. наблюдение за коммутационной аппаратурой и приборами.

При появлении неисправности, срабатывании защит, работе тревожной сигнализации необходимо принимать меры к устранению этой неисправности и докладывать старшему электромеханику о случившемся.

Все работы, производимые с ГЭУ, должны выполняться только под непосредственным наблюдением и . в присутствии второго электромеханика. Вахтенный электромеханик должен каждый час заносить в вахтенный электротехнический журнал показания приборов.

О каждом случае ненормальной работы ГЭУ в вахтенном журнале должна быть сделана соответствующая запись. Кроме того, в журнал заносятся все работы, произведенные с ГЭУ за вахту.

Вахтенный электромеханик во время вахтенной службы находится у поста управления ГЭУ, расположенного в машинном отделении. За работой механизмов, расположенных вне поста управления, наблюдают вахтенные и старшие электрики. Отлучаясь с поста управления для осмотра механизмов во время вахты, вахтенный электромеханик оставляет вместо себя квалифицированного старшего электрика.

Размещено на Allbest.ru

...