Stadiul Actual Al Sistemelor de Propulsie Electrica Navala În C_a

STADIUL ACTUAL AL SISTEMELOR DE PROPULSIE ELECTRIC NAVAL N CURENT

ALTERNATIV CU MOTOARE ASINCRONE TRIFAZATE.

PROPULSIA ELECTRIC NAVAL N CURENT ALTERNATIV

Antrenarea elicei cu motoare de curent alternativ este folosit mai ales la navele cu puteri mari la axul elicei, de peste 3000 kW. La navele cu puteri mari la axul elicei, antrenarea elicei cu motoare de curent continuu nu mai este posibil.

Energia electric de curent alternativ este obinut cu ajutorul generatoarelor sincrone trifazate Aceste generatoare au tensiuni la borne diverse : Registrul Naval Romn admite o tensiune de maximum 7,5 kV, Germaniscgher Lloyd (Registrul Naval din Germania) admite 6 kV, Lloyd Register (Registrul Naval din Anglia) admite 3,5 kV etc. Frecvenele utilizate sunt determinate de turaia motorului primar, ele nefiind legate de frecvenele standard de la uscat (50 Hz sau 60 Hz).

Motoarele mecanice primare care antreneaz generatoarele sunt turbine cu gaze sau motoare diesel.

Motoarele electrice care antreneaz elicea pot fi de tip sincron sau asincron, n prezent se prefer motoarele sincrone. Dei motorul asincron are o construcie mai simpl, gabarit mai mic i nu necesit curent continuu pentru excitaie, totui motorul sincron este preferat pentru propulsia n curent alternativ datorit unor caliti ale sale, ca :

- poate funciona la factor de putere ridicat, ceea ce duce la reducerea pierderilor pe cablurile de alimentare i la micorarea seciunii acestora ,

- pot fi construite cu un ntrefier mai mare dect cel al motorului asincron, aspect foarte important n condiiile oscilaiilor corpului navei pe mare agitat ,

- se poate asigura o sincronizare a elicelor, la navele cu dou elice (funcionarea elicelor la viteze diferite duce la oscilaii ale carenei).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2.1 SCHEME DE PROPULSIE N CURENT ALTERNATIV TRIFAZAT

2.1.1 Instalaii de propulsie cu turbo-generatoare

La aceste instalaii generatoarele sincrone care produc energie electric pentru alimentarea motoarelor elicei sunt antrenate de turbine cu abur. Asemenea sisteme se folosesc la puteri mari, deci la nave de mare tonaj.

La navele cu dou elici se poate utiliza schema din fig.1.1, care se caracterizeaz prin alimentarea separat a motoarelor de propulsie. Cele dou generatoare nu sunt prevzute a funciona n paralel. La viteze reduse ale navei ambele motoare pot fi alimentate de la un singur generator prin intermediul unui ntreruptor de cuplaj. Frnarea se face n contracurent. Excitaia generatorului este de tipul "cu ocuri" i se obine de la un convertizor rotativ sau static, Excitaia motoarelor se face constant, de la reeaua de curent alternativ.

Fig.1.1. Schema de propulsie n C.A. cu tu rbine utilizat la nave cu dou elice.


La navele cu o singur elice puterea necesar motorului elicei se poate obine de la multe generatoare n fig. 1.2 se reprezint o schem cu dou generatoare care sunt utilizate i pentru alimentarea reelei de bord. n aceast schem se folosete frnarea dinamic cu ajutorul rezistenelor de frnare.

Fig.1.2. Schema de propulsie n C.A. cu turbine utilizat la nave cu o singur elice.

La navele petroliere schemele de propulsie conin, n general, un motor de antrenare a elicei i un singur generator. Generatorul este utilizat, n regim de staionare i pentru alimentarea pompelor de ncrcat sau descrcat petrol.

Pentru mrimea fiabilitii la unele nave se utilizeaz antrenarea elicei de ctre dou motoare sincrone cuplate pe acelai arbore (fig. 1.3). Fiecare motor este alimentat de ctre un generator Aceast schem poate funciona cu un randament satisfctor, chiar la jumtate din puterea nominal. Deoarece motoarele n acest caz au gabarite mai mici se poate utiliza mai bine spaiul de deplasare a lor la pupa navei.


Fig.1.3. Schema de propulsie n C.A. cu turbine cu dou motoare de propulsie.

1.1.2 Scheme de propulsie n curent alternativ cu diesel-generatoare

Schemele de propulsie cu grupuri diesel-generatoare se caracterizeaz printr-un numr mai mare de grupuri electrogene, n comparaie cu schemele cu turbo-generatoare.

n fig.1.4 se prezint o schem de propulsie cu patru grupuri electrogene diesel-generatoare Generatoarele debiteaz pe bare comune mprite n dou seciuni. La fiecare seciune sunt legate cte dou generatoare ce alimenteaz cte un motor de propulsie. La navigaia costier (cu vitez redus) se alimenteaz fiecare motor de propulsie de la un singur generator. In acest caz cele dou seciuni de bare se separ. Schema este prevzut cu posibilitatea unei sincronizri brute cu ajutorul unei bobine de oc. Sincronizarea brut are ioc la cuplarea celor dou seciuni de bare, pe fiecare seciune aflndu-se cte un generator, sau la cuplarea celui de-al treilea generator, ca i la sincronizarea motoarelor n diverse situaii (ieirea elicei din ap n cazul unei mri agitate).


Fig.1.4. Schema de propulsie n C.A. cu motoare diesel.

Conectarea celui de-al patrulea generator se face prin sincronizare fin, adic prin reglarea tensiunii, frecvenei i fazei la barele colectoare.

Generatoarele de propulsie pot debita i pe reeaua bordului la regim de staionare sau de navigaie cu vitez redus.


n fig.1.5 este reprezentat schema instalaiei de propulsie cu diesel-generatoare la o nav cu o singur elice. Schema conine trei diesel-generatoare care pot fi conectate n paralel. n afar de motorul principal de antrenare, elicea poate fi antrenat i de un motor mai mic pentru regimuri de navigaie la viteze reduse. Pentru alimentarea motorului de putere mic este suficient un singur generator. Motorul de putere mic poate fi de tip asincron care nu necesit curent continuu de excitaie.

Fig.1.5. Schema de propulsie n C.A. cu motoare diesel la nave cu o singur elice.


1.2.2 ALTE VARIANTE FUNCIONAL-CONSTRUCTIVE ALE INSTALAIILOR DE PROPULSIE CU MOTOARE DE CURENT ALTERNATIV

Propulsia sincron cu elice cu pas reglabil (variabil)

Problema este raportat la nivelul elicelor i, n particular, la nivelul sistemelor de comand a palelor orientabile, reprezentnd cea mai

simpl soluie din punct de vedere electric.

n fig.1.6 este prezentat un dispozitiv de propulsie de curent alternativ cu elice cu pale orientabile, acionat de un motor sincron.

Aceast soluie este aplicat pe mineraliere de 180.000 t. Nava, echipat cu o singur elice cu pas variabil, este propulsat cu ajutorul a dou

motoare sincrone de 8.000 kW la 90 rot/min, montate mpreun pe acelai arbore port-elice, soluie adoptat din motive de siguran a

navelor de ncrctur. Fiecare din aceste dou motoare sincrone este alimentat printr-un generator de 10.000 kVA, antrenat de un motor

diesel la o vitez constant de 600 rot/min. Motoarele sincrone de propulsie au i ele o vitez constant, viteza de navigaie a navei modificndu-

se prin orientarea palelor elicei. Inversarea sensului de mers al navei se realizeaz tot cu ajutorul schimbrii unghiului de atac al palelor.

Generatorul utilizat pentru alimentarea motopropulsorului, echipat cu un regulator de tensiune constant, rmne la frecven

constant cu ajutorul unui transformator cobortor de tensiune. Motoarele de propulsie sunt reglate la cos

Fig.1.6. A1, A2 generatoare 514 RPM

D1, D2 motoare diesel

A440 generator 600 kW, RPM

GS grup electrogen

AE excitaie

TF1, TF2 transformator principal 6000/440 V

TEX redresor

RC redresor controlat

Reg U regulator de tensiune

Reg cos regulator factor de putere

Sy dispozitiv de sincronizare

DJ separator

RM releu panou detectarea masei

P1, P2 pompe

MPA, MPB motoare de propulsie, 2x8100 kW, 90 RPM

Motoarele asincrone utilizate ca motoare de lansare sunt de obicei cu rotor bobinat, deoarece pornirea cu motor asincron cu rotor n scurcircuit nu d rezultate mai bune din punct de vedere al ocurilor de curent dect pornirea n asincron a motorului sincron. Este indicat ca cele dou motoare, cel asincron de lansare i motorul sincron care urmeaz s fie pornit, s aib acelai numr de perechi de poli pentru a avea ocuri de curent mai mici la intrarea n sincronism

Metoda pornirii sincrone se utilizeaz mai rar, fiind nlocuit cu o metod mult mai simpl, metoda pornirii asincrone, care are la baz principiul de pornire al motoarelor asincrone cu rotorul n scurtcircuit.

Se remarc faptul c generatoarele pot fi egal utilizate pentru alimentarea pompelor de putere, de ncrctur, antrenate de motoare asincrone (2 x 1600 kW i 2 x 1200 kW). Aparatajul necesar pentru acest tip de propulsie electric este foarte simplu i se preteaz cu satisfacie la un pilotaj prin comand de la distan.


2.2.2 Propulsia sincron cu elice cu pale fixe i generatoare antrenate la vitez variabil

Analiza se efectueaz pe un proiect de nav echipat cu dou elice cu pas fix, amplasate n borduri fa de planul longitudinal (fig.1.7). Fiecare din aceste elice este antrenat prin dou motoare sincrone aflate n tandem, de 5000 kW, la 15 rot/min, cuplate la arborele port-elice.


Fig.1.7. A1A4 generatoare 1800 RPM, 6000 kVA MPA1, MPB1, MPA2, MPB2 motoare de propulsie, 4x5000 kW, 150 RPM

Rr reductor

DJ separator

RC redresor comandat

AM dispozitiv de amorsaj

RDR dipozitiv de inversare a sensului de mar

Aceste dou motoare sincrone sunt alimentate la barele de tensiune i frecven variabil de la 1,32 kV pn la 6,60 kV, 60 Hz. Barele electrice de distribuie sunt alimentate prin dou generatoare de 6000 kVA, la 1800 rot/min, antrenate de turbine cu gaze, la vitez variabil. Reglarea vitezei turbinelpr cu gaze permite o ftmcionare stabil ntre 25 i 100% din viteza lor nominal.

fn regim permanent propulsia este asigurat de motoarele sincrone, iar reglajul vitezei navei este realizat n mod unic prin acionarea regulatorului de turaie a turbinelor cu gaze.

Reglarea tensiunii generatoarelor se realizeaz prin variaia frecvenei, iar motoarele sincrone au excitaia reglat astfel nct factorii de putere s fie egali i unitari. Pentru utilizarea ct mai bun a motoarelor este indicat meninerea aproximativ constant a amplitudinii fluxului nvrtitor din stator prin modificarea proporional a tensiunii de alimentare cu ajutorul variaiei frecvenei.

Dispozitivele de excitaie, att a motoarelor ct i a generatoarelor sunt n ntregime statice i independente de viteza mainilor.


Din caracteristica cuplului rezistent, puterea maxim a turbinei conduce la o vitez maxim de funcionare. La cuplu maximal, ce poate transmite legtura electric sincron ntre motoare i generatoare, se evit riscul desprinderii. Manevrele din port se efectueaz n regim asincron al motoarelor de propulsie, fiind dezexcitate. Concepia acestor motoare are n vedere numrul mare de manevre de acest gen, la vitez redus. Inversarea sensului de mers a motoarelor de propulsie, deci a elicelor se realizeaz prin schimbarea a dou faze ntre generator i motorul de propulsie.

Practic, inversarea sensului de rotaie al motoarelor se efectueaz n manier complet dup urmtoarea secven:

- viteza grupului turbin-generator este redus la viteza de mers, numit viteza de manevr (25% din viteza nominal);

- generatoarele electrice sunt dezexcitate;

- se schimb apoi dou faze de alimentare a motoarelor sincrone care sunt excitate la valoarea maxim;

- motoarele antrenate de elice datorit forei generate de siajul navei funcioneaz n generatrice sincron i debiteaz pe generatoarele dezexcitate, care sunt n regim de motor asincron;

- n momentul n care cele dou faze de legtur sincron au fost schimbate apare i tendina de frnare a grupurilor turbin-generator;

- cnd motoarele ating n sens invers o vitez apropiat de viteza de sincronism corespunztoare vitezei de manevr a grupurilor turbin-generator se reexcit motoarele sincrone n maniera de restabilire a legturii sincrone, funcionnd n sens invers;

- generatoarele sunt reglate din nou la tensiunea proporional cu frecvena lor, iar factorul de putere al motoarelor astfel excitate trebuie s fie egal cu unitatea.

Frnarea navei poate s se produc accelerat n momentul sincronismului. Acest gen de inversare a sensului de mers este preferat unei funcionri tranzitorii a motoarelor n asincron pentru urmtoarele motive.

- trebuie s se obin o frnare cu un cuplu suficient pentru a se depi n toate punctele cuplul rezistent al elicei;

- energia de frnare este disipat egal n nfurrile motoarelor i generatoarelor, ceea ce constituie un mare avantaj la dimensionarea mainilor.


Aceast soluie se poate utiliza i la alimentarea reelei de bord. Este suficient ca generatorul care nu este utilizat pentru propulsie pe timpul marului s debiteze pe bare distincte de cele de propulsie la frecven i tensiune fix (6,6 kV, 60 Hz).

Aparatajul de comand pentru acest tip de propulsie este mai complicat dect cel utilizat n cazul propulsiei cu elice prevzut cu pale orientabile. i n acest caz se poate realiza comanda de la distan pentru acionarea motopropulsoarelor.

1.2.3 Propulsie sincron cu elice cu pale fixe i convertor static de frecvent

Funcie de tipul i puterea de definire a convertizoarelor statice de frecven utilizate, aceast soluie face obiectul mai multor variante.

n aceste condiii navele sunt prevzute, de cele mai multe ori, cu dou linii de arbore port-elice, fiecare dintre ele fiind antrenate de dou motoare sincrone cuplate n tandem de 2.200 kW la 250 rot/min fiecare, alimentate n regim nominal sub 3 kV. Aceast tensiune este cea optim att din punct de vedere economic, ct i tehnic deoarece ine cont de posibilitile actuale n curent i tensiune al semiconductoarelor.

1.2.4. Propulsia sincron cu cicloconvertizor

n fig.1.8 se prezint schema bloc pentru propulsie sincron cu elice cu pale fixe, frecven variabil, cu cicloconvertizor.

Generatoarele electrice sunt de vitez constant, iar dispozitivul de conversie a frecvenei este, n aceast variant, cu cicloconvertizor.

Un asemenea dispozitiv permite n practic s se plece de la o frecven constant, variind frecvena reelei n aval de la 0 la 1/4 sau 1/3 din frecvena constant a reelei amonte. In acest caz frecvena reelei amonte este de 50 Hz, iar varierea acesteia n reeaua aval poate fi de la 8 la 12,5 sau 16,3 Hz.


Fig.1.8. D1D4 motoare diesel A1A4 generatoare principale MS1, MS2, MS3, MS4 motoare asincrone de propulsie, 3000 CP, 250 RPM

RF rezisten de frnare

DJ separator

Ciclo cicloconvertizor

TF1, TF2 - transformatoare

n general, aplicaiile de propulsie electric a navelor se realizeaz cu maini electrice de mic vitez i deci, cu numr mare de poli; cicloconvertizorul, care pe toat gama de utilizare reduce frecvena de alimentare a motoarelor sincrone, permite reducerea numrului de poli ai mainii. In acest caz se folosesc maini cu 6 sau 8 poli, ceea ce implic maini cu diametru redus. Saltul de frecven ntre reeaua amonte i aval impune, pentru o bun funcionare, utilizarea convertizoarelor de frecven. Acesta este motivul alegerii soluiei cu dou motoare sincrone cuplate cu elicea, fiecare dintre ele fiind alimentat prin propriul cicloconvertizor. Cicloconvertizorul permite s avem, n toat gama de frecven, un factor de putere bun (cos 1) al motorului sincron i deci, un bun randament.

Reeaua de alimentare are un factor de alimentare cosj 0.7, iar fluctuaiile de putere reactiv generat conduc la o supradimensionare a generatoarelor electrice de propulsie. Armonicile apar n reeaua amonte i dac se dorete alimentarea reelei de bord a navei prin subtiraj de generatoare electrice de propulsie se monteaz filtre att pentru utilizarea grupurilor nvrtitoare, ct i pentru reducerea tensiunii.

Electronica convertizorului de frecven permite o bun controlabilitate a parametrilor electrici i realizarea limitrii de curent. De altfel, convertoarele statice de frecven asociate cu motoare sincrone pot asigura practic toate cerinele impuse sistemelor de acionare, cum ar fi: pornirea automat i accelerarea controlat, funcionarea cu turaie constant sau cuplu constant, schimbarea


sensului de rotaie, frnarea automat, reglarea automat dup program a turaiei, reglarea simultan a turaiei mai multor motoare, vitez mare de rspuns, sensibilitate redus la variaii n anumite limite a tensiunii i frecvenei de alimentare etc.

Inversarea sensului de mar poate fi realizat fr aparate electromecanice de schimbare a fazelor ntre reelele amonte i aval: este suficient schimbarea ordinii tiristoarelor pe dou faze ale cicloconvertizorului.

Performanele prezentate pot fi ndeplinite i de motoarele asincrone cu rotorul n scurtcircuit, datorit n special avantajelor acestor motoare (robuste, uoare, dimensiuni mici, inerie redus, ntreinere uoar etc.).

Propulsia sincron cu redresor-invertor (fig.1.9)

n practic, pentru regimul nominal al motorului, s-a gsit o frecven aval egal cu frecvena amonte. Aceasta permite o securitate n funcionare a motoarelor sincrone, fr intermedierea redresor-invertorului.


Fig.1.9.frecvena variabil cu redresor-invertor, elice cu pas fix A1A4 generatoare principale DJ separator

D1D4 motoare diesel

TF1, TF2 transformatoare

R-0 redresor-invertor

Spre deosebire de varianta cu cicloconvertizor, numrul de poli ai motorului sincron este mult mai ridicat (24 de poli la o frecven nominal de 50 Hz), acest lucru conduce la creterea diametrului motorului, iar n ceea ce privete factorul de putere al motorului sincron acesta este mai bun (cosj 0,8, la un regim nominal), iar cel al reelei de alimentare este mult mai bun i permite cea mai mic supradimensionare a motorului.

Ca i la varianta cu cicloconvertizor, redresor-invertorul permite, fr aparatur suplimentar, s realizeze o inversare a sensului de mers prin schimbarea fazelor i deci, a cmpului nvrtitor aval, astfel nct s existe limitarea intrinsec a curentului.

De asemenea, trebuie luat n considerare i abaterea de frecven ntre reeaua amonte i cea aval, care este destul de mare.

Propulsia sincron cu redresor-invertor parial

Aceast soluie este o variant intermediar ntre variantele prezentate mai sus.

Generatoarele electrice sunt de vitez variabil, de exemplu de la mijlocul vitezei nominale la cea nominal. In aceast plaj de vitez, echipamentul este de tip sincron-sincron.

Redresor-invertorul din fig.1.10, care echipeaz un singur motor sincron pe dou linii de arbore, permite varierea vitezei liniei arborelui de la 0 la jumtate din viteza nominal, generatoarele fiind la viteza constant egal cu semiviteza nominal.


Fig.1.10.Frecvena variabil cu redresor-invertor pentru 1/8 din putere i viteza variabil raportat la 1,2 generatoare termice liniare , elice cu pale fixe

A1A6 generatoare principale DJ separator

D1D6 motoare diesel

TF1, TF2 transformatoare

R-0 redresor-invertor

RDR aparatur de inversare a sensului de mar

MS1MS4 motoare sincrone de propulsie 250 RPM

innd cont de caracteristica cubic a puterii necesare vitezei de funcionare a elicei, redresor-invertorul unic nu va fi mult mai dimensionat dect pentru o putere nominal egal cu un sfert din aceea de la varianta cu redresor-invertor de la punctul 2.10 (care este de 1/8 din puterea nominal a unei elice).

In aceste condiii, aceast soluie prezint fa de celelalte variante urmtoarele avantaje:

- factorul de putere (cosj) este mult mai bun att pentru generatoare, ct i pentru motoarele sincrone i, prin urmare, randamentul ansamblului pentru ntreaga putere este foarte bun;

- este evident posibilitatea de mers fr dispozitive electronice de conversie a frecvenei;

- sigurana legturii este redus proporional cu dimensionarea puterii de definire a redresor-invertorului.

Armonicile provocate n reeaua generatorului electric sunt egal reduse n acelai raport. Dezavantajele acestei metode sunt:

- exist o comutaie a circuitelor, ceea ce nseamn c ntreaga putere nu este disponibil n orice moment;

- numrul de poli este important pentru motoarele sincrone i impune un diametru minimal al mainii;


- aparatajul electromagnetic necesar este mai important (schimbarea fazelor se face pentru inversarea sensului de mers n legtur sincron-sincron care se pune n funciune sau nu de ctre redresor-invertor);

- comanda de la distan este mai complicat de realizat pentru c necesit reglarea vitezei de acionare pe cele dou comenzi diferite, urmrind plaja unde se gsete (viteza motoarelor termice care antreneaz generatoarele electrice de propulsie variaz de la Nn /2 pn la N , iar frecventa de ondulaie de la 0 la Nn /2.


Documents

Stadiul Actual Al Sistemelor de Propulsie Electrica Navala În C_a