Гребные электрические установки лекции для морских училищ. Гребные электрические установки. Сопротивление воды и воздуха движению судна

Автоматизированные гребные

Электрические установки

Конспект лекций

для студентов специальности 7.07010404

«Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»

дневной и заочной форм обучения

Керчь, 2011г.

Рецензент: Дворак Н.М., к.т.н., доцент кафедры КГМТУ.

Конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании

кафедры ЭСиАП КГМТУ, протокол № 2 от 18.10.2011 г.

на заседании методической комиссии МФ КГМТУ,

протокол № 2 от 1.12.2011 г.

Ó Керченский государственный морской

технологический университет, 2011 г.

Введение
1 Гребные электрические установки (ГЭУ)
1.1 Назначение и типы ГЭУ
1.2 Сопротивление воды и воздуха движению судна
1.3 Судовые движители
1.4 Рабочие характеристики винта
1.5 Реверсивная характеристика винта
2. Выбор основных параметров ГЭУ. Выбор типа ГЭУ
2.1 Выбор рода тока, напряжения, частоты
3 Выбор числа и мощности гребных электродвигателей
3.1 Порядок расчета мощности на валу гребного электродвигателя
4 Выбор главных генераторов
4.1 Требования к качеству электроэнергии в ГЭУ
4.2 Пример расчета мощности ГЭД и главных генераторов
5 Гребные электродвигатели, генераторы и вентильные преобразователи тока и частоты
5.1 Общие положения
5.2 Возбудители генераторов и ГЭД
5.3 ГЭУ постоянного тока
5.3.1 Структура ГЭУ и схемы главного тока
5.3.2 Режимы экономичного хода и аварийные
5.3.3 Система возбуждения ГЭУ
5.3.3.1 Схема генератор-двигатель (Г-Д) с трёхобмоточным возбудителем
5.3.3.2 Система Г-Д с автоматическим регулированием мощности
5.3.3.3 Регулирование мощности изменением магнитного потока ГЭД
5.3.3.4 Защита ГЭУ постоянного тока
5.3.3.5 Регулирование мощности изменением магнитного потока ГЭД
5.3.4Защита ГЭУ постоянного тока
5.3.4.1 Защита главных дизелей от непроизвольного реверса
5.3.4.2 Пуск и реверсирование ГЭД
5.4 ГЭУ переменного тока
5.4.1 Особенности работы и схемы главного тока ГЭУ
5.4.2 ДЭГУ
5.4.3 Параллельная работа синхронных генераторов
5.4.3.1 Самосинхронизация
5.4.3.2 Распределение нагрузки
5.4.4 Типы гребных двигателей
5.4.5 Асинхронные синхронизируемые машины
5.4.6 Асинхронно-вентильный каскад (АВК)
5.4.7 Электромеханический каскад
5.4.8 Электрические машины с водяным охлаждением
6 Новые источники электроэнергии
6.1 Магнитогидродинамические генераторы
6.2 Электрохимические генераторы (ЭХГ)
6.3 Термоэлектрические генераторы (ТЭГ)
7 Режимы работы ГЭУ переменного тока. Работа одновальной ТЭГУ
7.1 Режимы экономичного хода и аварийные режимы
8 Защита ГЭУ переменного тока
8.1 Максимальная защита
8.2Продольная дифференциальная защита
8.3 Защита обмотки возбуждения от замыкания на корпус
8.4 Защита гребных электродвигателей
9 Пуск и реверсирование ГЭД в ГЭУ переменного тока
9.1 Пуск ГЭД
9.2 Реверсирование ГЭД
10 ГЭУ двойного рода тока
11 Единая судовая электростанция с ГЭУ постоянного тока на управляемых вентилях
12 ГЭУ с ГЭД переменного тока со статическими преобразователями частоты
12.1 Двухзвенный полупроводниковый преобразователь частоты
12.2 Непосредственный полупроводниковый преобразователь частоты
12.3 ЕСЭ с повышенным переменным напряжением 800В и ГЭД постоянного тока
12.4 Снижение высших гармоник в судовой сети при применении управляемых выпрямителей и преобразователей частоты
13 Судовые схемы ГЭУ переменного тока с ЕСЭ
14 ГЭУ современных судов и их системы управления
14.1 ГЭУ парома-ледокола типа «А. Коробицын»
14.2 ГЭУ морских паромов типа «Сахалин»
14.3 ГЭУ линейных ледоколов типа «Ермак»
14.4 ГЭУ океанографического судна «Аранда»
14.5 Сравнительный анализ схем управления ГЭУ
14.6 ГЭУ промысловых судов
14.6.1 ГЭУ судов типа «Зверобой»
14.6.2 ГЭУ траулера проекта В 422
14.6.3 ГЭУ траулера "Arctic Trawler"
15 Вопросы эксплуатации ГЭУ
16 Электробезопасность и пожаробезопасность ГЭУ
17 Оптимизация эксплуатационных режимов ГЭУ
17.1 ГЭУ как система подчиненного управления
17.2 Способ подчиненного управления со связью регулятора по нагрузке
17.3 Оптимизация параметров синхронизируемых регуляторов
18 АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГЭУ
18.1 Способ и средства управления
Список использованной литературы

Введение

Первая гребная электрическая установка появилась в России в 1838 году. Это был катер с гребными колесами, курсирующий по Неве. Изобретателем был российский ученый, академик Б.С. Якоби, применивший для вращения гребных колес двигатель постоянного тока.

В 70-80-х годах 19-го века первые электроходы появились в Европе. В России в начале 20-го века первыми дизель-электроходами были «Вандал» и «Сармат».

В СССР строительство судов-электроходов началось в 30-е годы. Большое их количество построено в связи с освоением Северного морского пути и развитием рыболовного флота.

Электроходы могут удовлетворять самым различным условиям и требованиям со стороны эксплуатации, конструкции судна и технических характеристик, и для некоторых типов судов являются незаменимыми гребными электрическими установками оснащаются ледоколы, паромы, рыболовные суда, суда-спасатели, буксиры и др.

Перспективными направлениями развития систем электродвижения является внедрение установок на переменном токе с полупроводниковыми преобразователями частоты и ГЭД с векторным управлением, а также использование главных машин со сверхпроводящими обмотками, позволяющих снизить массогабаритные характеристики и применить лучшую компоновку электрооборудования в машинном отделении судна.

Тематический план дисциплины

и распределение учебного времени по темам занятий

Гребные электрические установки (ГЭУ)

Назначение и типы ГЭУ

Под электродвижением судов следует понимать их движение с использованием электрической энергии гребными электрическими установками.

В состав ГЭУ входят:

а) первичный двигатель (дизель или турбина);

б) главные генераторы, питающие электроэнергией гребной двигатель;

в) гребной двигатель, соединённый с движителем;

г) движитель (винт), сообщающий движение судну.

По роду тока ГЭУ подразделяются на установки постоянного и переменного ток. ГЭУ постоянного тока применяются на судах, где требуется высокая маневренность и частое реверсирование гребного двигателя (ледоколы, паромы, китобойные суда и др.). ГЭУ переменного тока применяют на судах, для которых наибольшее значение имеет экономичность установки.

По типу первичного двигателя ГЭУ подразделяются на дизель электрические (ДЭГУ) и турбоэлектрические (ТЭГУ). На рыбопромысловых судах, как правило, применяют ДЭГУ.

Мощность дизеля и его скорость регулируют, изменяя количество подаваемого в цилиндр топлива. Зависимость и от при предельной подаче топлива называют внешними характеристиками (рисунок 1.1). Аналогично зависимости, полученные при меньшей подаче топлива, называют частичными характеристиками. Как на внешних, так и на частичных характеристиках момент почти не изменяется при изменении скорости дизеля.

Допустимые перегрузки для дизеля 10-15% .Номинальную скорость дизель развивает при предельной подаче топлива. При срабатывает предельный регулятор, прекращающий подачу топлива топливным насосом. Крупные дизели, кроме того, имеют всережимный регулятор, который может быть установлен на любое значение скорости.

ТЭГУ обычно работают на переменном токе, где используется свойство турбин изменять скорость в широких пределах путём простого изменения количества пара. Они допускают перегрузку .

В настоящее время начинают применять и газотурбинные установки.

По назначению ГЭУ делятся на главные (или автономные), вспомогательные и комбинированные.

В главных ГЭУ винт приводится во вращение только от гребного электродвигателя, питающегося от своих главных генераторов.

Во вспомогательных ГЭУ главные генераторы питают в процессе работы производственные механизмы, а во время перехода – гребные электродвигатели.

В комбинированных ГЭУ винт приводится во вращение как главным двигателем так и электродвигателем, потребляющим свободную мощность вспомогательных генераторов. Дополнительный гребной двигатель в этом случае используется либо в помощь основному, либо для самостоятельной работы на гребной винт на малых ходах судна, либо как генератор отбора мощности.

К преимуществам ГЭУ относится:

а) свобода выбора на судне места;

б) возможность использования быстроходных, нереверсивных, малогабаритных дизелей;

в) хорошие маневренные качества;

г) возможность работы с неполным числом первичных агрегатов;

д) высокая живучесть;

е) возможность работы в тяжелых условиях плавания, обеспечиваемая большой перегрузочной способностью электрических машин;

ж) возможность использования главных генераторов для питания других потребителей;

Недостатками ГЭУ по сравнению с дизельными и турбинными установками являются:

а) низкий КПД из-за двойного превращения энергии;

б) высокий удельный вес и стоимость;

в) увеличенный персонал.

Сопротивление воды и воздуха движению судна

На судно неподвижно стоящее в воде, действуют силы давления, равнодействующая которых равна силе тяжести судна и направленная противоположно ей (рисунок 1.2). При движении судна равнодействующая сил давления Р отклоняется от вертикального положения, а точка её приложения смещается по ДП в нос.

Рисунок 1.2 - Схема сил, действующих на судно.

Равновесие системы не нарушится, если к центру тяжести судна О приложить две противоположно направленные силы Р 1 и Р 2 равные по величине и параллельные Р . Полученная пара сил Р и Р 1 создаст момент, вызывающий дефект на корму.

Разложенная по взаимно перпендикулярным осям сила Р 2 образует составляющие Q и R.

Q -называют гидродинамической силой поддержания.

R -сопротивление воды; направлена противоположно движению судна.

Сопротивление воды R преодолевается силой упора движетеля, что вызывает давление R . Силы вязкости воды на границе с корпусом создают касательные силы R .

, (1.2)

где - коэф. сопротивления терния гладкой пластины = 0,0315Rе ,

Rе - число Рейнольдса ,

Скорость судна, м/с,

L- длина судна по ГВЛ, м,

Кинетическая вязкость воды при t =4 ,

Коэф.кривизны корпуса, при L/В =6 =1,04, при L/В =12 =1,01,

у сварных судов коэффициент шероховатости корпуса судна,

-плотность морской воды.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине «Гребные электрические установки»,

для направления: 140400 ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА (бакалавриат)

для профилей:

Новочеркасск 2011 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

________________________________________

«Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по ОД

(должность, фамилия, инициалы)

«___» ___________________ 2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(Б 3.2.8) Гребные электрические установки

(наименование дисциплины)

Направление подготовки: 140400 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Профили подготовки:

№14. «Электрооборудование и автоматика судов».

Факультет электромеханический

Кафедра « Электропривод и автоматика »

Курс _3__________________________________________________________

Семестр _7 ________________________________________________________

Лекции __18___ (час.)

Экзамен __7___ (семестр) 36 часов 1 ЗЕТ Зачет __-___ (семестр)

Практические (семинарские) занятия ___36 __(час.)

Всего самостоятельной работы __72__ (час.), из них : плановая работа______ (час.) 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМ, ЧАСОВ ЗАНЯТИЙ ПО МОДУЛЯМ И СЕМЕСТРАМ https://pandia.ru/text/78/089/images/image004_151.gif" width="643" height="295 src="> Рис.1. Модульное построение дисциплины № семестра Количество часов аудиторных занятий Самостоятельная работа студентов Практ. занятия. Плановая Индивидуальная Домашняя Итого 7-й семестр 7 СЕМЕСТР 3.1.1. Наименование тем лекций, их содержание и объём в часах Тема 1. Введение (2 часа, УЗ – 1, ПК-14,15,16). Предмет курса, его связь с другими дисциплинами учебного плана и значения в подготовке инженеров данной специальности. Краткая история развития ГЭУ и их современное состояние. Литература раздел 4 Тема 2. У стройство ГЭУ(4 часа, УЗ – 2, ПК-14,15,16). Сопротивление движению судна. Силы, действующие на судно, их физическая сущность. Составляющие сил сопротивления, их зависимость от скорости движения и других факторов. Буксировочная мощность. Судовой движитель. Принцип действия судового движителя. Сила упора и коэффициент полезного действия идеального движителя. Типы судовых движителей. Основной тип движителя – гребной винт, его геометрия, принцип действия и характеристики. Моделирование характеристик гребного винта. Реверсирование винта и его работа в режиме гидротурбины. Взаимодействие винта со льдом. Основные типы гребных установок. Свойства и основные элементы ГЭУ. Особенности устройства ГЭУ различных типов: постоянного, переменно-постоянного, переменного тока, их технико-экономические показатели.

Энергетические установки, в которых мощность от главных двигателей передается к гребным винтам с помощью электропередачи, принято называть гребными электрическими установками (ГЭУ).

Электрическая передача позволяет обеспечить выполнение одного из основных требований, предъявляемых к энергетической установке ледокола,- сохранения постоянства мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте.

1. Классификация гэу

Гребные электрические установки (ГЭУ) могут быть класси­фицированы по следую

щим признакам:

по роду тока - переменного, постоянного и переменно-посто­янного тока (двой

ного рода тока);

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

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

4. по способу соединения гребного электродвигателя с винтом - с прямым соедине

нием и с зубчатым соединением.

В гребных электрических установках постоянного тока в ка­честве главных генера-

торов применяются генераторы с независимым возбуждением, а в качестве гребных электродвигателей – двигатели с независимым возбуждением.

В гребных электрических установках переменного тока в ка­честве главных генера

торов 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 электродвига

теля, 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, отлича

ются 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 опреде-

ляется 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.

Рис. 14.1. Схемы соединения генераторов и двигателей в ГЭУ постоянного тока

Схема с последователь­ным включением генераторов и якоря двигателя (рис. 14.1, а) позволяет получить повышенное напряжение питания двигателя, поскольку напряже-

ния 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 допу-

стимо 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 дви

гатель и начнет вращать его в обратную сторону, что приведет к крупным поврежде­ниям дизеля. Эту ситуацию следует быстро фиксировать соответствующими датчиками (часто

ты вращения, давлении воды, масла), которые выдают сигнал аварийной остановки и обе

с­печивают снятие возбуждения генератора.

Схема с параллельным включением генераторов (рис. 14.1, б) обеспечивает удобст-

во включения и отключения отдельных гене­раторов.

Если генераторы установлены на одном валу, то равно­мерность их нагрузки обеспе

чивается 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. 14.1, 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 безопас-

ность 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.

Гребная электрическая установка – это главная силовая энергетическая установка судна, которая приводит гребной винт во вращение с помощью электродвигателя, питаемого током, вырабатываемого генератором. Установки такого типа используются, в основном, на ледоколах, судах специального назначения, подводных лодках.

Крупнейшим судном, использующим гребную электрическую установку, в настоящее время можно считать океанский лайнер RMS Queen Mary 2, оснащённый четырьмя подвижными электродвигателями типа "Azipod" мощностью по 215 мВт.

Электрическая передача позволяет обеспечить сохранение постоянства мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте.

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

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

2. По типу первичного двигателя – дизель-электрические, турбо– электрические и газо-турбо-электрические;

3. По системе управления – с ручным и автоматическим управлением;

4. По способу соединения гребного электродвигателя с винтом – с прямым соединением и с редукторным 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 электродвигатели.

Использование мощных управляемых полупроводниковых выпрямителей позволило создать ГЭУ двойного рода тока.

Преимуществами ГЭУ этого типа являются:

– высокая надёжность и экономичность синхронных генераторов;

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

– возможность питания всех судовых потребителей от главных генераторов, т.е. от единой судовой электростанции переменного тока.

ГЭУ постоянного тока используются в установках малой и средней мощности с высокой маневренностью. Ограничение мощности этого типа ГЭУ определяется сложностью создания электрических машин большой мощности на постоянном токе по сравнению с машинами на переменном токе.

Такие установки отличаются простотой, удобством и плавностью регулирования частоты вращения гребных винтов в широком диапазоне их моментов и нагрузок.

ГЭУ переменного тока устанавливаются на судах с относительно редким изменением режима движения.

Для них характерно использование повышенных напряжений: при мощности ГЭУ до 10 МВт – 3000 В, при больших мощностях – до 6000 В. Номинальная частота тока обычно составляет 50 Гц.

В ГЭУ переменного тока при малых и средних мощностях (до 15 МВт) в качестве первичного двигателя обычно используются дизеля, а при больших мощностях – турбины.

Регулирование частоты вращения гребных электродвигателей в ГЭУ переменного тока с винтами фиксированного шага обеспечивается изменением частоты напряжения генераторов при изменении частоты вращения первичных двигателей, либо путём 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. Изменение направления вращения гребных электродвигателей достигается переключением фаз в главной цепи, число которых, как правило, равно трём.

Способом регулирования режима работы ГЭУ переменного тока, позволяющим избежать трудностей регулирования частоты вращения двигателей переменного тока, является использование винтов регулируемого шага (ВРШ).

ГЭУ двойного рода тока называются установки, в которых в качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного тока, а в качестве гребных электродвигателей – электродвигатели постоянного тока.

Разработка мощных выпрямителей позволила объединить высокие маневренные качества ГЭУ постоянного тока, с достоинствами ГЭУ переменного тока, заключающиеся в использовании высокооборотных первичных двигателей и малых массогабаритных показателях.

Применяются полупроводниковые выпрямители двух типов:

– неуправляемые, выходное напряжение которых не регулируется;

– управляемые – с регулируемым выходным напряжением;

ГЭУ двойного рода тока с выпрямителями обеспечивают:

– высокую маневренность за счёт широкого диапазона регулирования частоты гребного электродвигателя;

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

– снижение шумности и вибрации элементов ГЭУ;

– повышение общего к.п.д. установки;

– наибольшую простоту исполнения и надёжность гребных электродвигателей.

Применение ВРШ для ГЭУ двойного рода тока вносит дополнительные преимущества:

– постоянство частоты вращения двигателей генераторов;

– постоянство частоты вращения гребного электродвигателя и гребного винта.

Постоянство частоты вращения первичных двигателей ГЭУ позволяет производить отбор мощности от шин системы электродвижения для общесудовых потребителей и более рационально использовать установленную мощность судовой электростанции.

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

Основная задача при эксплуатации ГЭУ – обеспечить её безотказную и безаварийную работу, постоянную готовность к действию.

Решение такой задачи достигается при выполнении следующих условий:

– обеспечение квалифицированного обслуживания;

– своевременно пополнение сменно-запасными частями и материалами;

– правильно определение сроков и объёмов профилактических и ремонтных работ, выполняемых судовым экипажем;

– проведение расширенных испытаний и организация наладки ГЭУ в соответствии с целевым назначением судна;

– постоянный контроль степени загрязнения изоляционных поверхностей в электрических машинах ГЭУ;

– проверка состояния кабелей и заделка их оконцеваний.

Таким образом, комплекс мероприятий технической эксплуатации охватывает обслуживание, уход и ремонт ГЭУ и её элементов.

Список литературы

1. Акимов В.П. Судовые автоматизированные энергетические установки, «Транспорт», 1980.

2. Справочник судового механика (в двух томах). Изд. 2-е, перераб. и доп. Под общей редакцией канд. техн. наук Л.Л.Грицая. М., «Транспорт», 1974 г.

3. Завиша В.В., Декин Б.Г. Судовые вспомогательные механизмы., М., «Транспорт», 1974 г., 392 с.

4. Кіріс О.В., Лісін В.В. Термодинаміка та теплотехніка. Навчальний посібник. У 2 ч. Ч. 1.: Термодинаміка. – Одеса: ОНМА, 2005. – 96 с.

5. Овсяніков М.К., Петухов В.А. Суднові автоматизовані енергетичні установки. «Транспорт», 1989.

6. Тейлор Д.А. Основи суднової техніки. «Транспорт», 1987.

7. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Суднові енергетичні установки та електрообладнання суден». Одеса: ОНМА, 2012.

8. Верескун В.И., Сафонов А.С. Электротехника и электрооборудование судов: Учебник. – Л.: Судостроение, 1987. – 280 с., ил.

Энергетические установки, в которых мощность от главных двигателей передается к гребным винтам с помощью электропередачи, принято называть гребными электрическими установками (ГЭУ).

Электрическая передача позволяет обеспечить выполнение одного из основных требований, предъявляемых к энергетической установке ледокола,- сохранения постоянства мощности главного двигателя при изменениях момента на гребном винте.

Наибольшее распространение получили следующие схемы ГЭУ:

1. С регулированием магнитного потока гребного электродвигателя (ГЭД) при постоянном магнитном потоке генератора.

2. С регулированием магнитного потока главного генератора при постоянном магнитном потоке ГЭД.

3. С регулированием магнитных потоков как генератора, так и ГЭД.

Примером схем первого типа, с автоматическим регулированием магнитного потока ГЭД, является схема, примененная на ледоколах типа Уинд (рис. 118), с использованием быстродействующего регулятора типа «Сильверстат». Магнитопровод этого регулятора имеет две обмотки. Одна из них {ОН) подключена к зажимам якоря Д ГЭД, и ее ток пропорционален напряжению на якоре. Вторая обмотка {ОТ) подключена на падение напряжения в добавочных полюсах ДП ГЭД, и ее ток пропорционален току главной цепи. Ампер-витки обмотки ОТ создают магнитный поток, противоположно направленный потоку, создаваемому ампер-витками обмотки ОН. Суммарный магнитный поток обеих обмоток воздействует на якорь регулятора Р, который при перемещении замыкает или размыкает пластинчатые пружинящие контакты, подключенные к секциям реостата Гр. При номинальных значениях тока и напряжения ГЭД якорь регулятора занимает положение, обеспечивающее протекание номинальной силы тока в обмотке возбуждения электродвигателя ОВД и, следовательно, номинальную величину вращающего момента.

При внезапном возрастании момента сопротивления на гребном винте, в первый период обороты гребного вала и напряжениегенератора остаются постоянными, а ток в главной цепи резко возрастает. Пропорционально увеличению тока главной цепи увеличивается и ток в токовой обмотке регулятора ОТ. При этом уменьшается магнитный поток в магнитопроводе, а следовательно, и сила притяжения якоря регулятора. В результате якорь отклоняется и замыкает некоторую чй^ть пружинящих контактов, шунтируя тем самым отдельные секции реостата. Это вызывает увеличение тока возбуждения ГЭД и соответственно снижение скорости его вращения. Мощность, потребляемая ГЭД, останется при этом примерно постоянной, так как на-

Рис. 118. Схема электродвижения Рис. 119. Схема электродвиже-ледокола типа Уинд ния леяокола Капитан Белоусов

Пряжение генератора почти не изменяется. Регулятор будет усиливать возбуждение до тех пор, пока ток главной цепи не достигнет номинального значения.

При уменьшении момента сопротивления, приложенного к винту, ток главной цепи уменьшается. При этом размагничивающее действие токовой обмотки от регулятора уменьшится и якорь разомкнет некоторую часть пружинящих контактов. Сопротивление реостата в цепи возбуждения ГЭД увеличится, ток возбуждения уменьшится, а скорость вращения возрастет. Мощность, потребляемая ГЭД, вновь сравняется с номинальной. Таким образом, применение регулятора позволяет полностью использовать номинальную мощность установки на всех режимах плавания без перегрузки первичных двигателей.

Примером схем второго типа, с автоматическим регулированием магнитного потока главного генератора, может служить схема, примененная на ледоколе Капитан Белоусов. Здесь применена система возбуждения и регулирования с использованием быстродействующих регуляторов (рис. 119).

Для питания обмоток возбуждения главных генераторов ОВГ применены двухобмоточные возбудители ВТ. Одна из обмоток, противокомпаундная (ПКО), включена на падение напряжения в дополнительных полюсах ДП и ГЭД. Другая - обмотка управления ОУ получает питание от поста управления ПУ через быстродействующий регулятор Гр. Быстродействующий регулятор и обмотка ПКО предназначены для ограничения тока в главной цепи при изменяющемся моменте сопротивления. При увеличении тока в главной цепи выше номинального усиливается действие обмотки ПКО, включенной навстречу обмотке управления. В результате снижается напряжение на главном генераторе Г, а следовательно уменьшается скорость вращения ГЭД, что предохраняет первичные двигатели от перегрузки. Быстродействующий регулятор начинает действовать при токе, большем номинального. Пружина регулятора стремится повернуть подвижный контакт Гр в положение, при котором возбуждение генератора будет наибольшим. Обмотка регулятора включена на падение напряжения в дополнительных полюсах ГЭД, и поэтому она обтекается током, пропорциональным току главной цепи. При наличии тока в главной цепи на якорь регулятора Яр действует вращающий момент, которому противодействует момент пружины. Когда ток главной цепи достигнет величины, на которую настроен регулятор, момент, создаваемый токовой катушкой, превзойдет момент пружины, вследствие чего подвижные контакты начнут перемещаться, вводя дополнительное сопротивление в обмотку ОУ. Ток в обмотке ОУ будет уменьшаться; напряжение генератора тоже уменьшится. Процесс этот прекратится, как только падение напряжения на дополнительных полюсах гребного электродвигателя достигнет величины, соответствующей номинальному току нагрузки.

Недостаток регуляторов - малая скорость реагирования, не обеспечивающая поддержание стабильности тока главной цепи при ударах льдин о лопасти винта, реверсах и т. д.

Примером схем третьего типа, с автоматическим регулированием магнитного потока главных генераторов и гребного электродвигателя, может служить схема, примененная на ледоколе Мурманск. Рассмотрим бортовой контур ГЭУ этого ледокола (рис. 120), уделив внимание системе управления и регулирования ГЭУ.

Бортовой контур (рис. 120, а) состоит из двух главных генераторов Г, ГЭД-Д, возбудителей генераторов ВТ и двигателя ВД. Возбуждение агрегатов ВТ и ВД обеспечивается при помощи управляемых (тиристорных) и неуправляемых (диодных) выпрямителей, в свою очередь выпрямители получают питание от вспомогательной трехфазной судовой сети. Необходимо отметить, что противокомпаундная обмотка ПКО действует только в аварийном режиме, когда выходит из строя тиристорное воз буждение генераторов. При этом обмотки ОВВГ^ ^ и ОВВГ выполняют функции обмотки управления ОУ и шунтовой din соответственно.

Рис. 120. Схема электродвижеиия ледокола Мурманск: а - принципиальная схема ГЭУ; б - блок-схема регулирования

Возбуждение ГЭД осуществляется следующим образом: от вспомогательной сети переменного тока через выпрямитель // (рис. 120, б) получает питание основная обмотка возбуждения возбудителя ОВВД^^^. Возбудитель двигателя ВД возбуждается и подает питание на обмотку возбуждения двигателя ОВД.

Другая обмотка ВД - дополнительная ОВВД^^^^ - подготовлена к действию и работает только в динамических режимах. При перекладке рукоятки поста управления ПУ получает питание обмотка возбуждения возбудителей главных генераторов ОВВГа. X или ОВВГ^^ х- Эти обмотки получают питание от вспомогательной сети переменного тока через тиристорные выпрямители 5а и 56. Возбуждается возбудитель генератора ВГ и подает питание на обмотки возбуждения генератора ОВГ.

Схема предусматривает регулирование по постоянству мощности и по постоянству скорости. Эти режимы обеспечиваются воздействием обратных связей (по току и напряжению главной цепи, по скорости вращения ГЭД, по напряжению возбуждения генераторов и току возбуждения двигателя) на возбуждение ВГ и ВД. Например, при реверсе система регулирования работает следующим образом. Рукоятка поста управления перекладывается из положения «полный вперед» в положение «полный назад». При этом на выходе поворотного трансформатора, жестко связанного с постом управления, знак задающего сигнала изменяется на противоположный. Этот сигнал проходит через регулирующие блоки 1а-~1в или 16-1в (первый случай - для режима постоянства скорости, второй - для режима постоянства мощности) на блоки управления 4а и 46 тиристорными выпрямителями 5а и 56. Блоки 4а и 46 воздействуют таким образом, что тиристорный выпрямитель 5а, питающий обмотку возбуждения переднего хода ОВВГ^.у, закрывается, а открывается выпрямитель 56. Такое переключение осуществляется при помощи знакоинвертора 3. Генераторы возбуждаются в обратном направлении, и происходит реверс ГЭД. При этом основные параметры ГЭУ (скорость, ток, напряжение) резко изменяются. Ток главной цепи меняет знак и, достигнув максимальной величины, остается примерно на этом уровне значительное время. Несмотря на сравнительно большой ток главной цепи, дополнительная обмотка ГЭД почти до полной остановки винта не работает, т. е. реверс происходит при постоянном потоке ГЭД. Объясняется это тем, что в схеме предусмотрена корректировка работы дополнительной обмотки ОВВДдоп в зависимости от обратной мощности.

В момент рекуперации логическое устройство обратной мощности 12 подает сигнал на блок регулирования 1г, который, воздействуя на схему управления тиристорного выпрямителя 5в, запирает его. Когда заканчивается рекуперативный период, вступает в действие дополнительная обмотка ОВВД^^„, ток возбуждения ГЭД увеличивается, ток главной цепи уменьшается, и вскоре основные параметры ГЭУ приближаются к нормальным.

Более подробные сведения по гребным электрическим установкам можно найти в .

к числу других типов передачи мощности от первичного двигателя к гребному винту следует отнести гидр авличе-ские передачи. В судовых энергетических установках используются передачи двух типов: гидравлические муфты и гидротрансформаторы. Для энергетических установок ледоколов представляют интерес в основном гидротрансформаторы и гидравлические преобразователи крутящего момента.

Гидротрансформаторы обладают способностью плавно изменять передаточное отношение в зависимости от момента на ведомом валу при практически постоянной скорости вращения первичного двигателя, т. е. обладают саморегулируемостью, обеспечивая при этом удовлетворительные тяговые характеристики энергетической установки.

По сравнению с ГЭУ гидротрансформаторы имеют следующие преимущества: меньшие вес и габариты, меньшую строительную стоимость, меньший штат Ъбс л ужинающего персонала.

Однако гидротрансформаторы обладают и весьма существенными недостатками: малой гибкостью схемы установки (так как при гидропередаче каждый главный двигатель соединяется только с одним гребным валом), сравнительно невысокой мощностью на заднем ходе (на 20-30% ниже, чем на переднем). Кроме того, на парциальных нагрузках крутящий момент гидротрансформатора при попадании льда под лопасти винта может оказаться недостаточным, в результате чего возможна остановка гребного винта и даже его поломка. Отсутствие практического опыта работы судов с гидротрансформаторами в ледовых условиях не позволяет дать исчерпывающего ответа о целесообразности их установки на ледоколах.