-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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).
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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
-
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
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;
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com
-
- 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.
PDF created with pdfFactory Pro trial version
www.pdffactory.com