Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Волжская государственная академия водного транспорта»

Кафедра электротехники и электрооборудования

объектов водного транспорта.

Курсовая работа

по дисциплине «Автоматизированные гребные электрические установки»

На тему «Установки двойного рода тока»

Засухин А.И.

г. Нижний Новгород

2014г.



Введение

В практике мирового судостроения в последнее время всё шире используются ГЭУ- гребные электрические установки.

Электродвижение судов является более эффективным, экологичным и экономичным чем использование в качестве энергетической установки дизеля, работающего непосредственно, или через редуктор, на гребной винт. ГЭУ, в которых, синхронные генераторы приводятся во вращение с постоянной скоростью первичными двигателями, а гребные винты - двигателями постоянного тока, получающими питание от этих генераторов через полупроводниковые выпрямители, носят название «ГЭУ по системе двойного рода тока».

Применение установок этого типа улучшает качество всей электроэнергетической установки судна, снижает её весогабаритные и повышает технико-экономические показатели. Кроме того, создаются наиболее благоприятные условия для эффективного внедрения автоматизации с оптимальным качеством статических и динамических характеристик. гребной электрический электродвигатель генератор

Системы двойного рода тока обладают благоприятными возможностями для:

1. Использования высокоэкономичных, высокоскоростных первичных двигателей большой мощности;

2. Непосредственного сочленения высокоскоростных генераторов переменного тока с первичными двигателями, минуя редуктированную передачу. При этом предполагается применение генераторов повышенной частоты, что позволяет уменьшить габариты машин и пульсации выпрямленного напряжения;

3. Обеспечение большой надёжности схемы ГЭУ и увеличения её КПД, благодаря использованию генераторов переменного тока;

4. Независимости скорости вращения гребного винта и её регулирования от скорости вращения первичного двигателя;

5. Работы с любым числом первичных двигателей и генератором на якорь ГЭД;

6. Автоматического изменения в широком диапазоне момента ГЭД при неизменных значениях скорости вращения и мощности первичных двигателей;

7. Отбора мощности от шин электродвижения на шины собственных нужд.

Таким образом, сочетание в схеме ГЭУ данного типа преимуществ переменного и постоянного тока делает её весьма перспективной.

В данном курсовом проекте представлен расчет автоматизированной гребной электрической установки для озерно-речного пассажирского теплохода туристического назначения на 400 спальных мест. Класс судна О.

Длина L, м	135,75
Ширина B, м	16,8
Осадка Т, м	2,83
Коэффициент полноты водоизмещения д	0,6
Скорость хода v, км/ч	26

Расчет сопротивления воды движению судна и определения буксирноймощности

Сопротивление движению судна на глубокой и тихой воде.

Полное сопротивление движению судна определяется по выражению:

где

- коэффициент остаточного сопротивления

- коэффициент сопротивления трения технически гладкой поверхности;

- надбавка к коэффициенту сопротивления трения, учитывая влияние шероховатости судна;

-коэффициент сопротивления выступающих частей;

- надбавка к полному коэффициенту сопротивления воды, учитывая влияние воздушного сопротивления надводной части судна;

-плотность воды (для пресной волы = 1 т/ );

S - смоченная поверхность судна,

- скорость движения, м/с.

Смоченная поверхность корпуса вычисляется по формуле:

где

L, B, T -длина, ширина и осадка судна по конструктивную ватерлинию(К.В.Л.) соответственно, м;

- коэффициент полноты водоизмещения.

Важным параметром при расчете сопротивления движению судна является коэффициент остаточного сопротивления. Он определяется по формуле:

где

- коэффициент остаточного сопротивления судна-прототипа при некотором значении числа Фруда();

- поправочные множители для расчетного судна;

- аналогичные множители для судна- прототипа;

- относительная смоченная поверхность расчетного судна и прототипа соответственно.

Относительная смоченная поверхность расчетного судна находится по формуле.

2170,75/3935,4^2/3=9,2

где -объемное водоизмещение корпуса судна.

Судно- прототип выбирают на основании следующих показателей:

Судно- прототип выбирают на основании следующих показателей расчетного судна:

L/B=8,08;=0,6;B/T=5,93 и =9,2

Выбор производят с помощью таблицы 1 из методического пособия «Теория и устройство судов».

Судно- прототип №6: L/B'=8,1;=0,7;B/T=5,05 и =7,1

Находим коэффициент остаточного сопротивления для судна- прототипа. Для этого принимаем 5 значений числа Фруда:0.4;0.5;0.6;0.7;0.8; Его значения заносим в таблицу.

Все результаты вычислений сопротивления движению судна представлены в таблице 1.1.

Значения	Размерность	Режимы движения судна.
FrV	-	0,40	0,50	0,60	0,70	0,80
V = Frv	м/с	4,98	6,22	7,47	8,71	9,96
103* оо' = f (Frv)	-	0,75	0,90	1,10	1,50	2,10
XL/B=f(L/B,Frv)	-	0,95	0,93	0,90	0,85	0,80
X'L/B=f((L/B)',Frv)	-	0,94	0,92	0,89	0,83	0,79
XB/T=f(B/T,Frv)	-	0,90	0,87	0,83	0,80	0,74
XB/T=f((B/T)',Frv)	-	0,92	0,89	0,87	0,85	0,80
Xд=f(д, Frv)	-	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00
X'д=f(д', Frv)	-	1,70	1,70	1,63	1,83	1,90
103*оо =103*оо'* ((XL/B* XB/T* Xд*S')/ ( X'L/B* X'B/T* X'д*S))	-	0,34	0,40	0,50	0,61	0,80
Re = V*L/н	-	5,20E+08	6,50E+08	7,80E+08	9,10E+08	1,04E+09
103*оS = f(Re)	-	0,0009873	0,0009657	0,0009486	0,0009344	0,0009225
103*о =103*(оо+оS +оШЕР +ов.ч +ов)	-	0,0021739	0,0013694	0,0014510	0,0015442	0,0017215
R = о*(с/2)SV2	кН	58,47	57,55	87,81	127,19	185,21
Vч = 3,6*V	км/ч	17,92	22,40	26,88	31,36	35,84

На основании этих результатов строится график зависимости

РИС. 1

На основании этой характеристики определим R при заданной скорости хода:

Скорость судна без состава на глубокой воде- 26,1 км/ч

И так, при х= 26,1 км/ч R=82 кН.-это сопротивление воды движению судна.

Определение характеристик гребного винта при выборе гребного электродвигателя

В этом пункте мы определим необходимую мощность гребного электродвигателя и частоту вращения гребного вала при ходе в глубокой и тихой воде и во льдах.

Исходные данные для расчета:

Сила сопротивления R = 82кН- в глубокой и тихой воде при скорости движения

х =26,1км/ч=7,22м/с

Количество гребных винтов =2

Характеристики корпуса судна- осадка, Т=2,83м, коэффициент полноты водоизмещения,

=0,6,Q=0,55;Z=4

Перед этим расчетом необходимо произвести расчет ряда показателей:

Коэффициент попутного потока для бортового винта:

=0,55*0,6-0,20=0,13

Коэффициент засасывания винта (бортовой винт):

=(1+0,25*0,13)*0,8*0,13=0,107

Скорость набегания волны на винт:

=(1-0,13)*7,22=6,28м/сек

Полный необходимый упор винта:

=82/(2*(1-0,107))= 45,91кН.

На основании данных, приведенных в таблице, мы строим графики зависимостей Ne=f(n )

и D=f(n ), из которых мы выбираем оптимальные значения диаметра винта и мощности электродвигателя.

Оптимальными значениями являются:

D=1,7м;N=750кВт;I=1130A, КПД=91,9%, n=315

Выбор и обоснование типа ГЭУ. Приводной двигатель, генератор, род тока и система управления

В качестве двигателя выбираем марку - 4П- 450-36-500-УЗ, мощностью - 800 кВт, частота вращения - 320 об/мин ,напряжение -660 В, КПД - 91,9%

В качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного тока напряжением 660 В, частотой 50 Гц. В количестве 2-х штук.

Данное напряжение я выбираю из-за его универсальности и использования в других приборах и устройствах.

В качестве генератора выбираю установку, выпускаемую отечественной промышленностью HSSUL 18/1057Д1, активная мощность 750 кВт, тип дизеля В2-ТК-С6. Род тока переменный,

660 В, частотой 50 Гц.

Система управления гребным электродвигателем состоит из тиристорного выпрямителя. Управление из рулевой рубки и непосредственно около гребного электродвигателя. Основные характеристики тиристорного преобразователя. Серия ВКВ-1360, I_ном=1360 А,U_{вых.ном.}=750В. падение напряжения 0,4-0,7В, обратный ток при номинальном напряжении не более 60 мА.



Выбор и обоснование количества и мощности главных генераторов и гребных электродвигателей.

Выбираю два основных генератора, которые будут обеспечивать электроэнергией гребную установку Выбор произведён в предыдущем пункте пункте. При выборе генераторов делаем запас по мощности, чтобы была возможность подключать дополнительные потребители, либо при малой скорости хода была возможность запитать оба гребных электродвигателя от одного генератора в целях понижения расхода топлива.

Для данного судна целесообразно установить два гребных электродвигателя. Два двигателя, по сравнениюс одним, повышают его манёвренность, лёгкость управления при швартовных операциях. Двигатель выбран в вышестоящих пунктах.

Построение статических характеристик ГЭУ

Расчёт статических характеристик ГЭУ двойного рода тока отличается некоторыми особенностями, обуславливаемыми следующими причинами.

-режим работы синхронного генератора на гребной электродвигатель постоянного тока через выпрямитель является несимметричной;

-при построении нагрузочной характеристики должен учитываться указанный специфический режим работы СГ;

-при работе СГ на соизмеримую по мощности выпрямительную нагрузку сопротивление коммутации генератора Х_г зависит от угла коммутации г;

-гармонические составляющие на стороне переменного и постоянного ток, а также интегральные характеристики схемы выпрямления зависят от параметра С.

Построение статических характеристик ГЭУ двойного рода тока осуществляется по методу расчёта ГЭУ постоянного тока. Таким образом, рассмотрев особенности расчёта статических характеристик ГЭУ двойного рода тока, приходим к следующим выводам:

1) С достаточной для инженерной практики точностью можно расчёт статических характеристик производить из условия: С=? и Х_г=const

2) Естественные характеристики ГЭУ двойного рода тока аналогичны таким же характеристикам в схемах ГЭУ постоянного тока с отрицательными обратными связями на входе возбудителя генератора.

3) Реакция якоря синхронного генератора играет роль внутренней обратной связи по току.

4) Функциональные связи в схемах регулирования ГЭУ двойного рода тока позволяют получить требуемые характеристики гребного электродвигателя.

Поскольку питание ГЭД осуществляется не напрямую от генератора, а от тиристорных управляемых выпрямителей через трансформатор, то в характеристиках нужно учесть физические особенности работы выпрямителей.

Построение механических характеристик Г.Э.Д. в статическом режиме.

Расчёты в этом пункте производятся на основании характеристик винта в свободной воде и швартовном режиме.

Момент на валу в свободной воде М_в=3,05 кНм

Момент на валу в швартовном режиме М_ш=3,7 кНм

Определяем частоту вращения ГЭД n_в и n_ш при этих моментах

n=(9550*P)/M

n_в=(9550*125)/3,05=391 об/мин

n_ш=(9550*125)/3,7=322 об/мин

Ток якоря М=cФII=M/(сФ),где сФ=Е/щ=220*30/(3,14*300)=7

Из этого следует: I_в=3050/7=435 А-в свободной воде, I_ш=3700/7=528 А-при швартовке

Механические характеристики гребного электродвигателя:

Динамические характеристики ГЭУ.

На рисунках показаны динамические характеристики Г.Э.Д. при пуске, построенные на основании механических и электромеханических пусковых характеристик двигателя. Пуск двигателя от нуля до полных оборотов на переднем ходу производится в пять ступеней- «самый малый» - «малый» - «средний» - «полный» - «самый полный». Этим ступеням соответствует пять значений напряжения на выходе выпрямителя(Ud1…Ud5), определенным в предыдущем пункте. По пусковым характеристикам можно определить - как изменяется ток якоря, частота вращения, вращающий момент двигателя.

Динамические характеристики Г.Э.Д. при реверсе (рис)- зависимости тока якоря Г.Э.Д. в свободной воде(Iд), при швартовках (или во льду)(Iш), вращающего момента Г.Э.Д.(Мв и Мш), частоты вращения Г.Э.Д.(n) от времени.

Рис. 1

СГ - синхронные генераторы с приводными двигателями;

ГЭД - гребной электродвигатель;

UZ - управляемый выпрямитель;

ОВД - обмотка возбуждения ГЭД;

ЩС - щитки сигнализации;

ПДУ - пост дистанционного управления;

ПЭД - пульт управления электродвижением;

ЩЭД - щит электродвижения.

Компоновка основного оборудования

Рис. 6

Расположение элементов гребной установки во многом определяется назначением и типом судна, однако, существуют рекомендации, общие для всех типов судов.

Гребные электродвигатели обычно размещаются в отдельном помещении в кормовой оконечности судна, но могут размещаться и вместе с генераторными агрегатами. В первом случае уменьшается длина и масса валопровода, что позволяет сократить суммарный объем машинных помещений, а также рационально использовать острые своды судна. Однако при размещении и выборе ГЭД необходимо предусматривать возможность их нормального обслуживания, разборки и ремонта.

Пары масла, топлива и влаги, имеющиеся в помещении, где размещены ГЭД, в сочетании со щеточной пылью приводят к ухудшению изоляции, что особенно сказывается на работе машин постоянного тока. Необходимо стремиться к тому, чтобы ГЭД и механическое оборудование, не связанное непосредственно с обеспечением его работы, размещались в разных помещениях. Не следует располагать ГЭД и генераторные агрегаты (особенно с дизельным приводом) в одном машинном отделении.

Генераторные агрегаты не имеют жесткой связи с гребными валами и поэтому могут располагаться в любой части судна.

Двухъярусная компоновка ГЭД и дизель-генераторов в кормовой оконечности судна позволяет значительно сократить общую длину машинных отделений (рисунок 6).

При размещении основного электрооборудования ГЭУ можно рекомендовать:

1) размещать ГЭД в отдельных помещениях с учетом обеспечения минимальной длины гребного вала, при этом вблизи ГЭД не должны прокладываться трубопроводы, имеющие фланцевые соединения;

2) размещать генераторные агрегаты в отдельных помещениях и не устанавливать на них другого электрооборудования ГЭУ (щитов преобразователей и т.п.) для которого необходимо предусматривать отдельные помещения;

3) при достаточной высоте борта и особенно при кормовом расположении машинных отделений применять двухъярусное расположение электрооборудования;

4) предусматривать звукоизоляцию помещения.в котором размещаются дизель-генераторы, в нем не должны устанавливаться вспомогательные механизмы, требующие постоянного обслуживания на ходу судна;

5) выделять отдельные помещения для вспомогательных механизмов машиннойустановки.

Полупроводниковые преобразователи цепи главного тока не рекомендуется располагать в дизель-генераторных помещениях; размещать их следует вместе со щитами электродвижения или в специальных помещениях непосредственно над ГЭД. Однако в некоторых случаях, особенно в ГЭУ переменно-постоянного тока большой мощности, с целью сокращения длины шинопровода переменного тока целесообразно размещать силовые выпрямители непосредственно вблизи генераторов.

Возбудительные агрегаты (ВА) и статические возбудители не следует размещать в дизель-генераторных помещениях; агрегаты целесообразно устанавливать в помещениях, где располагаются ГЭД, или в специальных помещениях, статические возбудители -вместе со щитами электродвижения или в специальных помещениях.

Щиты электродвижения устанавливаются с учетом расположения трасс главного тока в антишумовых выгородках машинных отделений, на платформах в помещениях, где размещаются ГЭД, или в специальных помещениях.

Пульт управления электродвижением располагается, как правило, в специальном помещении для дистанционного управления механической установкой судна - центральном посту управления (ЦПУ). Иногда при отсутствии дистанционного управления аппаратами главной цепи, для удобства управления ГЭД пульт управления устанавливают в помещении щита электродвижения или совмещают пульт и щит в одной конструкции.

Пост дистанционного управления (ПДУ) устанавливается в ходовой рубке, и управление им обычно осуществляется с помощью рукояток тумб машинного телеграфа (при отключенной схеме телеграфа). На судах повышенной маневренности и при больших размерах ходовой рубки в ней устанавливается несколько тумб машинного телеграфа (в том числе обязательно по бортам), связанных с собой и с ПДУ механической и электрической передачей. На судах, требующих точного маневрирования, могут устанавливаться дополнительные ПДУ в кормовой и носовой оконечностях. Переключатель ПДУ обычно располагается в ходовой рубке; переключатель с местного управления на дистанционное размещается на пульте или щитах электродвижения.



Характеристики переходного процесса реверса

На рисунке показаны кривые переходного процесса реверса ГЭД. Особенностью реверса является то, что при снижении напряжения СГ происходит уменьшение тока главной цепи в течении нескольких долей секунды до нуля (точка на кривой ). После изменения направления тока в цепи ОВД (через 1 с после начала реверса) при прежнем направлении вращения ГЭД в цепи якоря возникает э.д.с., которая создает ток прежнего направления по цепям тока прямого направления вентилей выпрямительного моста ВГ. Поэтому на участке появляется всплеск тока до 1.3 (точка на кривой ). В результате этого ГЭД будет работать в генераторном режиме, расходуя энергию рекуперации на нагрев якоря, проводов и выпрямителей ВГ. Для уменьшения мощности рекуперации обратные связи по току обеспечивают ограничение тока так, чтобы ограничит величину тока (участок на кривой ). Частота вращения ГЭД при этом уменьшается на участке кривой в результате торможения. В дальнейшем происходит нарастание напряжения СГ и увеличивается ток до номинального значениия, в результате чего происходит форсированный реверс ГЭД. Обратные связи по току главной цепи ограничивают величину (участок кривой после точки ). Применение обратной связи по частоте вращения дизелей позволяет ограничить колебание их частоты вращения с их отклонениями на ±4% (точки и на кривой ). В целом переходный процесс реверса ГЭД является удовлетворительным. Система автоматического регулирования магнитных потоков возбуждения СГ и ГЭД с тиристорными возбудителями обеспечивает нормальную работу ГЭУ в любых динамических режимах и не требует ограничения по скорости перекладки рукоятки ПУ.

Схема главного тока и принципиальная схема ГЭУ с цепями возбуждения, управления, защиты и сигнализации

Управление частотой вращения ГЭД производится из ПУ посредством изменения магнитных потоков возбуждения синхронным генератором СГ и ГЭД. Реверс ГЭД производится изменением магнитного потока возбуждения ГЭД при изменении полярности тока главной цепи. Возбуждение СГ осуществляется от управляемого выпрямителя УВВГ, а возбуждение ГЭД - от реверсивного управляемого выпрямителя РУВВД. Управление тиристорами УВВГ и РУВВД осуществляется блоками управления БУВГ и БУВД. На входы блоков БУВД и БУВГ подаются сигналы обратных связей, обеспечивающие автоматическое регулирование частоты вращения и мощности ГЭД, ограничение тока главной цепи и ограничение колебаний частоты вращения дизелей. Для этой цели на вход блока БУВГ подаются сигналы обратных связей: по напряжению якоря двигателя UД (от преобразователя напряжения ПН на выходе неуправляемого выпрямителя главного тока ВГ); по току главной цепи (от преобразователя тока ПТ); по частоте вращения ГЭД (от тахогенератора ТГД в виде ); по частоте вращения дизелей (от тахогенераторов ТГ в виде ); по току силовой цепи питания тиристорного выпрямителя и однополярный сигнал с выхода ПУ в виде +UПУ. На вход блока БУВД подаются сигнал разной полярности от ПУ в виде ±UПУ и сигналы обратных связей: по напряжению возбуждения ГЭД (от преобразователя напряжения ПН в виде ); по току силовой цепи питания тиристорного выпрямителя ; по току главной цепи . Кроме того на вход блока БУВД подается сигнал с блока БУВГ, определяющий заданное значение тока возбуждения ГЭД.

По сигналам и в блоке БУВГ формируется сигнал, пропорциональный мощности ГЭУ, который сравнивается с данным сигналом от ПУ, что позволяет ограничивать мощность в результате регулирования магнитного потока возбуждения СГ. Постоянство тока и мощности обеспечивается регулированием магнитного потока возбуждения ГЭД в функции тока по обратной связи через блок БУВД, которая является нелинейной. Применение обратной связи по частоте вращения дизелей позволяет регулировать скорость изменения мощности генераторов в динамических режимах работы ГЭУ, а также учитывать техническое состояние дизелей. Наличие этой связи позволяет ограничивает мощность рекуперации ГЭД при реверсах посредством уменьшения магнитного потока возбуждения ГЭД по каналу между блоками БУВГ и БУВД.

Блок БУВГ позволяет с помощью специальных переключателей устанавливать максимальную заданную мощности от 0.85Рн до 1.1 Рн.

При пуске и изменении частоты вращения ГЭД подаются соответствующие сигналы на входы блоков БУВГ и БУВД.



Список использованной литературы

1. Правила Российского Речного Регистра. М.2002г

2. Гребные электроустановки переменно-постоянного тока Колтовой А.Ф. и др.Л.1977

3. Справочник судового электромеханика в 3-х томах Китаенко Г.И. т.3,Л.1980

Размещено на Allbest.ru

...