У даній статті представлена ​​схема модернізації гребний електричної установки. Як об'єкт модернізації була обрана гребна електрична установка постійного струму, обмотки якої живляться від незалежного джерела живлення. У даній статті автор пропонує живити веслову установку від основної суднової мережі змінного струму за допомогою застосування напівпровідникових перетворювачів напруги на тиристорах в ланцюзі збудження гребних електродвигунів.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - І. І. Лебедєв, А. А. Марченко


ANALYSIS OF CIRCUIT SOLUTIONS OF ROWING ELECTRICAL UNITS OF ALTERNATING CURRENT

The scheme of upgrade of the rowing electrical unit is presented in this article. As an object of modernization, a direct current rowing electric unit was selected, the windings of which are powered by an independent power source. In this article the author suggests to power rowing unit from the main ship alternating current network byusing semiconductor voltage converters on thyristors in the excitation circuit of rowing motors.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2020
    Журнал
    Технічна експлуатація водного транспорту: проблеми і шляхи розвитку
    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ схемні рішення гребеня ЕЛЕКТРИЧНИХ УСТАНОВОК змінного струму'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ схемні рішення гребеня ЕЛЕКТРИЧНИХ УСТАНОВОК змінного струму»

    ?УДК 621.313

    І.І. Лебедєв, А.А. Марченко

    Камчатський державний технічний університет, Петропавловськ-Камчатський, 683003 e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    АНАЛІЗ схемні рішення гребеня ЕЛЕКТРИЧНИХ УСТАНОВОК

    ЗМІННОГО СТРУМУ

    У даній статті представлена ​​схема модернізації гребний електричної установки. Як об'єкт модернізації була обрана гребна електрична установка постійного струму, обмотки якої живляться від незалежного джерела живлення.

    У даній статті автор пропонує живити веслову установку від основної суднової мережі змінного струму за допомогою застосування напівпровідникових перетворювачів напруги на тиристорах в ланцюзі збудження гребних електродвигунів.

    Ключові слова: гребні установки, тиристори.

    I.I. Lebedev, A.A. Marchenko

    Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    ANALYSIS OF CIRCUIT SOLUTIONS OF ROWING ELECTRICAL UNITS OF ALTERNATING CURRENT

    The scheme of upgrade of the rowing electrical unit is presented in this article. As an object of modernization, a direct current rowing electric unit was selected, the windings of which are powered by an independent power source.

    In this article the author suggests to power rowing unit from the main ship alternating current network byusing semiconductor voltage converters on thyristors in the excitation circuit of rowing motors.

    Key words: rowing units, thyristors.

    Незважаючи на розвиток всіляких методів з транспортування вантажів, в полярних районах найпоширенішим засобом для перевезень сьогодні і на найближчим часом залишаться криголамно-транспортні судна і криголами. З цієї причини сьогодні також актуальні питання постійного вдосконалення флоту криголамних суден. Сьогодні модернізація ведеться як щодо кораблебудівних елементів, так і енергетичних установок.

    Тенденція підвищення потужності криголамів є характерною для всіх країн. При цьому ступеневу збільшення потужності відбувається постійно півтораразову або дворазовим збільшенням. Якість криголамів залежить від технічних можливостей їх енергетичних установок, а також упору гребних гвинтів. З цієї причини пошук найбільш раціональних типів енергетичних установок ведеться постійно. Сьогодні існує безліч проектів гребних установок, таких як комбіновані установки, установки з гідропреобразователямі і т. Д. Поряд з позитивними якостями такі системи мають безліч недоліків.

    При проектуванні енергетичної установки виробляється порівняльний аналіз основних і допоміжних показників. До основної групи зазвичай відносять характеристики маневрені, механічні, часткових режимів, надійності. Також важливими є массогабаріт-ні характеристики, які безпосередньо впливають на розміщення, осадку і автономність плавання судна [1]. Допоміжними характеристиками є: рівень автоматизації, зручність управління, ремонтопридатність. Досвід експлуатації показав, що основними режимами роботи криголамного судна (по кілька діб) є маневрені режими при середній кількості реверсів не більше 20 в годину.

    Енергетична установка таких судів повинна забезпечувати від 15 до 30 реверсів на годину в залежності від потужності. При ході судна в льодах час реверсу з повною потужністю не повинно перевищувати 10 з з моменту перекладки рукоятки поста управління до початку роботи гвинта в зворотному напрямку обертання.

    При льодовому плаванні опір руху судна постійно змінюється, і момент гребного гвинта значно змінюється, часто він може змінюватися до швартовного. У випадках плавання в льодах при наявності дрібнобитій льоду з мокрим снігом (шуги) момент опору може виявитися більше моментів, відповідних швартових режиму.

    Також значно зростає навантаження первинних двигунів при роботі судна на мілководді. У режимах, коли відбувається взаємодія гвинта з льодом тривалістю близько 10 с і більше, виникає додатковий момент, який може сягати двократного номінального значення і більш. В таких режимах може відбутися поломка гвинта внаслідок заклинювання гвинта. З цього випливає, що механічна характеристика приводу гвинта повинна враховувати підвищення моменту обертання, яке сприяло б виключенню заклинювання гвинта, а також роботу первинних двигунів без перевантаження. Крім того механічна характеристика повинна забезпечувати підтримання сталості та використання повної потужності первинних двигунів при значній зміні моменту опору.

    Також необхідно враховувати високу швидкість наброса додаткового моменту при взаємодії гвинта з льодом. У деяких випадках збільшення моменту опору до максимальної величини, яка перевищує номінальну більш ніж в два рази, відбувається за дуже малий час, рівне 0,05 с. Елементи електроприводу повинні витримувати таку високу динаміку збільшення моменту опору, а система регулювання повинна обмежувати параметри щоб уникнути виходу з ладу окремих елементів і систем захисту. Одним з найважливіших критеріїв при виборі енергетичної установки судна є надійність і ефективність роботи гребний установки в режимах взаємодії гвинта з льодом.

    Також одними з найважливіших є часткові режими [2]. Веслова електрична установка криголама може довгий час функціонувати в часткових режимах. Застосовуються різні заходи щодо запобігання заклинювання гвинта в цих режимах. По-перше, застосовується підтримка постійної потужності в діапазоні зміни характеристик гвинта, як при повній потужності. По-друге, збільшення автономності плавання судна також позитивно впливає на характеристики гребного гвинта. В таких цілях застосовуються часткові режими, т. Е. Робота зі зменшенням кількості первинних двигунів або зі зменшенням потужності. У тривалих за часом режимах роботи криголамних суден (в таких режимах енергетична установка працює при навантаженні до 50% номінальної. З цією метою для збільшення автономності плавання криголамів необхідно, щоб енергетична установка мала високі показники коефіцієнта корисної дії не тільки в режимах повної потужності, а й в широкому діапазоні часткових рівнів потужності. Такі заходи можуть застосовуватися для продовження термінів між двома бункерування або (для атомохода) перезарядками активної зони, здійснення яких зн ачітельно підвищує експлуатаційні витрати. Як приклад на рис. 1 представлена ​​схема ГЕУ з асинхронним Гед, регульованим по системі вентильного каскаду.

    Мал. 1. Схема ГЕУ з асинхронним Гед, регульованим по системі вентильного каскаду

    В даній схемі регулювання частоти обертання гребного електродвигуна здійснюється за допомогою перетворювача частоти в ланцюзі ротора двигуна. Реверсування здійснюється за допомогою контактного або безконтактного реверсорів в ланцюзі статора. Динамічні властивості такої системи задовільні, але багатополюсного і високі масогабаритні показники гребного електродвигуна роблять цю систему малопридатною для поширення на судах. Сумарна встановлена ​​потужність тиристорного перетворювача і перемикача велика. Перетворювач частоти в такій схемі повинен бути розрахований на повне напруга і повний струм ротора, що робить сумарну встановлену потужність напівпровідникового перетворювача і перемикача занадто великий.

    Варіантом вентильного каскаду може виступити подвійний машинно-вентильний каскад, який складається з двох асинхронних двигунів і перетворювача частоти. Обмотка статора першого двигуна отримує харчування від генераторів, обмотки роторів з'єднані послідовно. Обмотка статора другого двигуна також одержує живлення від перетворювача частоти.

    У цій схемі відсутні контактні кільця, і кількість полюсів кожної машини може бути зменшено, проте конструкція їх ускладнюється, особливо у криголамів, у яких для надійності доцільно мати по два двигуна на гвинт.

    На рис. 2 представлена ​​схема ГЕУ з перетворювачем частоти.

    Мал. 2. Схема ГЕУ з перетворювачем частоти

    Гребний електродвигун може бути виконаний з числом полюсів, найбільш вигідним для заданої частоти обертання. Регулювання частоти обертання і реверсування двигуна здійснюються за допомогою перетворювача частоти. Одним з головних переваг застосування даної схеми є те, що частоти напруги генератора і гребного електродвигуна можуть бути обрані незалежно один від одного. Найбільш доцільним є діапазон частот генераторів від 100 до 200 Гц, а гребного електродвигуна близько 15-25 Гц.

    Як відомо, можливе застосування двох варіантів схем перетворювача частоти: перетворювача з ланкою постійного струму і безпосереднього перетворювача.

    В останній застосовуються імпульсно-фазовий регулювання напруги керованого випрямляча і широтно-імпульсне регулювання в ланцюзі постійного або змінного струму.

    В системі з синхронним турбогенератором, перетворювачем частоти і синхронним двигуном, що працює як вентильной або самоврядної синхронної машини, управління перетворювачем частоти проводиться в залежності від положення ротора або ЕРС синхронного двигуна. Можливе використання різних перетворювачів частоти - безпосередніх і з ланкою постійного струму.

    У схемах з перетворювачами частоти встановлені потужності турбогенераторів і гребних електродвигунів трохи вище, ніж в схемі з безпосереднім живленням синхронного гребного електродвигуна від синхронного генератора. Це обумовлено, з одного боку, споживанням реактивної потужності для комутації струму в тиристорах, з іншого боку, впливом додаткових втрат, що викликаються гармоніками струму і напруги на типову потужність машин.

    При великих потужностях доцільно використовувати НПЧ, виконані по еквівалентним багатофазним схемами на вході і виході, особливо коли одинична потужність вентиля виявляється недостатньою для створення схем з мінімальним числом паралельно і послідовно включених елементів.

    На рис. 3 наведені схеми включення НПЧ, виконаного по еквівалентній дванадцяти-фазній схемі, на трифазний (рис. 3, а) або двенадцатіфазний (рис. 3, б) Гед в ГЕУ з єдиної електростанцією.

    При високому вхідному напрузі доцільно застосування понижувальних трансформаторів, що виключають послідовне з'єднання вентилів.

    При використанні схеми, наведеної на рис. 3, б, коефіцієнт нелінійних спотворень кривої споживаного струму знижується до 17-20%. Фазовий зсув обмотки Гед на 30 ел. град дозволяє знизити модуляцію основної гармоніки первинного струму більш ніж в два рази і підвищити вдвічі частоту модуляції.

    I - **

    а б

    Мал. 3. Трансформаторні двенадцатіфазние мостові схеми НПЧ

    При подальшому збільшенні потужності ГЕУ замість кожного з мостів в схемах, показаних на рис. 3, доцільно застосовувати два трифазних моста з почерговим керуванням або схему, наведену на рис. 3, що значно покращує енергетичні характеристики на вході НПЧ. Для зменшення цього впливу в перетворювачах частоти застосовуються еквівалентні 12-фазні (12-імпульсні) схеми, в машинах - демпферні обмотки і плетені дроти.

    Представляють інтерес системи електродвіженія, в яких використовуються безпосередні перетворювачі частоти з еквівалентними 12-фазними схемами обмоток синхронного генератора і гребного електродвигуна.

    Застосування двенадцатіфазного Гед забезпечує надійну роботу ГЕУ, так як при відключенні декількох фаз Гед продовжує працювати зі зниженою потужністю. В такому Гед відсутні паразитні від 5-й і 7-й гармонік, що викликають найбільші труднощі при фільтрації (а також від гармонік, кратних трьом), що покращує механічні характеристики і зменшує електромагнітні шуми. Ці Гед мають менші габарити системи управління і більш високий коефіцієнт потужності.

    Типова потужність синхронного турбогенератора повинна бути обрана з урахуванням еквівалентного коефіцієнта потужності і додаткових втрат. 12-імпульсні схеми генератора і гребного електродвигуна визначають мінімально необхідне число тиристорів - 144, а в міру зростання потужності відбувається збільшення кратної величини.

    Сучасні тиристори на ток 500, 800 і 1 000, а в робочій напрузі до 2 500 В дозволяють створити перетворювач частоти потужністю до 20 000 кВт (з урахуванням необхідних перевантажень). Керовані випрямлячі застосовуються також для збудження генераторів і двигунів, забезпечуючи швидке наростання і гасіння поля машин.

    Попередні розрахунки показали, що габаритні розміри і маса основного силового обладнання гребних електричних установок подвійного струму і змінного струму з перетворювачем частоти для криголамів потужністю 75 000 л. с. приблизно однакові. Для криголамів більшої потужності обладнання гребних установок змінного струму має менші розміри і масу. Істотною перевагою таких установок є відсутність колекторних машин.

    У системах електродвіженія із застосуванням перетворювачів частоти число генераторів може бути не пов'язане з числом гребних електродвигунів. Також синхронні генератори можуть працювати як на загальні шини, так і на дві системи шин для поліпшення надійності. Регулювання частоти обертання гребного електродвигуна здійснюється за допомогою перетворювача частоти.

    Системи електродвіженія змінного струму мають безліч переваг. Вони дозволяють здійснити відбір потужності від головних генераторів для живлення бортової мережі судна. Доцільним може виявитися застосування комбінованої системи, в якій електростанція пов'язана з шинами головних генераторів через перетворювач частоти з ланкою постійного струму. Така схема дозволить забезпечити взаємну роботу і резервування двох систем.

    література

    1. Акулов Ю.І. Гребні електричні установки / Ю.І. Акулов. - 3-е изд. - М .: Транспорт, 1982.- С. 102-105.

    2. Марченко О.О. Енергоефективне навантаження асинхронних електродвигунів в процесі випробувань після / А.А. Марченко, М.М. Портнягин // Вісник Державного університету морського і річкового флоту ім. адмірала С.О. Макарова. - СПб .: ГУМРФ ім. адмірала С.О. Макарова, 2014. - Вип. 6. - С. 76-84.


    Ключові слова: гребні установки / тиристори. / rowing units / thyristors.

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити