ACADEMIA NAVALĂ „MIRCEA CEL BĂTRÂN” FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ PROIECT DE DIPLOMĂ ÎNDRUMĂTOR PROF. UNIV. DR. ING. DOBREF VASILE ABSOLVENT STD…. [310136]

ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

ÎNDRUMĂTOR

PROF. UNIV. DR. ING. DOBREF VASILE

ABSOLVENT: [anonimizat]. MOCANU VLAD

CONSTANȚA

2018

ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

ÎNDRUMĂTOR

PROF. UNIV. DR. ING. DOBREF VASILE

ABSOLVENT: [anonimizat]. MOCANU VLAD

CONSTANȚA

2018

ACADEMIA NAVALĂ "MIRCEA CEL BĂTRÂN"

FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

TEMA: NAVĂ TIP PASAGER 3000 LOCURI.

PROPULSIA ELECTRICĂ CU MOTOR SINCRON ALIMENTAT DE LA UN CICLOCONVERTOR

ÎNDRUMĂTOR

PROF. UNIV. DR. ING. DOBREF VASILE

ABSOLVENT: [anonimizat]. MOCANU VLAD

CONSTANȚA

2018

[anonimizat].

[anonimizat], implicit a [anonimizat] a motorului. A [anonimizat]: tonaj: 71,909 GT; lungime: 261 m; lățime: 31 m; pescaj: 7,62 m; număr punți: 15; capacitate totală pasageri: 3050; instalația de putere: 6 motoare diesel Wärtsilä 12V38; propulsie: ABB Azipod (2 X 14 MW) alimentate de la cicloconvertoare; viteză de croazieră: 21 knots (39 km/h); stabilizatoare: un set de stabilizatoare duale. Pe parcursul lucrării am prezentat avantajele și dezavantajele ambelor tipuri de propulsie. Totodată am prezentat propulsoarele de tip Pod și Azipod ca utilitate practică în funcție de modul de construcție și amplasare folosit și prezentarea avantajelor și dezavantajelor fiecărui tip.

Conținutul lucrării prezintă constucția unei instalații de propulsie electrice de la transformarea din energie primară (a combustibilului) în energie mecanică și apoi în energie electrică până la motoarele electrice sincrone cu viteză variabilă ce antrenează elicele de propulsie. Viteza variabilă a propulsoarelor este obținută prin modificarea frecvenței tensiunii de alimentare realizată de cicloconvertoare. [anonimizat]: cu 6 pulsuri, cu 12 pulsuri și cu 12 pulsuri/3×2 faze.

În finalul lucrării este realizată o simulare a unui sistem de propulsie electrică cu cicloconvertor în Matlab/Simulink, în care sunt scoase în evidență caracteristicile motorului sincron folosit în propulsia navală.

Partea practică a [anonimizat] 8 Professional și realizat cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino Mega 2560.

Abstract

This project shows a [anonimizat].

The modern alternative is represented by the Azipod electric propulsion with a synchronous motor drived by a [anonimizat], by changing the frequency of the motor supply voltage.

[anonimizat]: tonnage: 71,909 GT; length: 261 m; beam: 31 m; draft: 7.62 m; bridges: 15; capacity of passenger: 3050; power plant: 6 diesel engines Wärtsilä 12V38; propulsion: ABB Azipod (2 X 14 MW) powered by cycloconverters; cruising speed: 21 knots (39 km / h); stabilizer: a set of dual stabilizers.

During the project I presented the advantages and disadvantages of both types of propulsion. At the same time, I presented the Pod and Azipod thrusters as a practical utility depending on the construction and location used and the presentation of the advantages and disadvantages of each type.

The content of the project presents the construction of an electric propulsion system from the transformation of primary energy (fuel) into mechanical energy and then in electric energy to synchronous electric motors with variable speed which drives the propellers. The variable speed of the propellers is obtained by changing the frequency of the supply voltage produced by the cycloconverters. At the same time various constructive aspects of the cycloconverter were presented: 6 pulses, 12 pulses and 12 pulses/3×2 phases.

At the end of the project a simulation of an electric propulsion system with cycloconverter in Matlab/Simulink is made, which highlights the characteristics of the synchronous motor used in the naval propulsion.

The practical part of the project is an experimental study about the operation of a three-phase cycloconvector, model developed in the Proteus 8 Professional program and made using the Arduino Mega 2560 development board.

INTRODUCERE

Instalațiile electrice sunt prezente pe toate navele, de la alimentarea echipamentelor de comunicație și navigație, alarme și sisteme de monitorizare, funcționarea motoarelor, pentru pompe, ventilatoare sau vinciuri, până la instalații de mare putere pentru propulsia electrică.

În prezent, propulsia electrică este aplicată în mod special pentru următoarele tipuri de nave: nave de croazieră, feriboturi, nave de foraj, împingătoare, nave de transfer, spărgătoare gheață, nave de aprovizionare, nave de război.

Instalația de propulsie navală joacă un rol important în construcția unei nave performante, astfel, alegerea tipului de propulsie trebuie să satisfacă necesitățile de operare ale navei.

Pentru implementarea unui sistem de propulsie electric naval trebuie satisfăcuți anumiți parametri, și anume:

adaptarea rapidă a sistemului la variațiile cererii de propulsie ale navei, provocate de vânt, valuri, curenți, schimbări bruște de direcție;

spațiul restrâns destinat sistemului de propulsie;

siguranță în exploatare și facilitarea accesului pentru control și mentenanță în timpul funcționării;

costul general al transportului, fiind în strânsă legătură cu consumul specific de combustibil, numarul echipajului (operatorilor) și pregătirea acestuia;

costul legat de investiția inițială și mentenanță.

Sistemele de propulsie clasice compuse din mașină principală de propulsie (ce realizează conversia unei forme primare de energie în energie mecanică), transmisie pe ax și elice nu mai reușesc să satisfacă necesitățile moderne cu privire la manevrabilitate, confort, noxe, etc.

Ca și alternativă pentru îndeplinirea rigorilor moderne o constituie sistemul de propulsie de tip Pod și Azipod. Ideea originală a sistemului Azipod a fost concepută cu peste două decenii în urmă, ca urmare a căutării de către Finnish Maritime Administration de noi modalități de îmbunătățire a operațiunilor spărgătoarelor de gheață. Acestea trebuiau să fie capabile de manevre, astfel încât să creeze căi navigabile prin gheață în orice direcție. Investigațiile au arătat că motorul de propulsie care poate fi orientat în orice direcție (Azipod), este soluția ideală.

Sistemul de antrenare Azipod care a fost dezvoltat ulterior este o unitate de propulsie electrică, ce poate fi orientată liber la 360, iar primul sistem de acest gen a fost instalat pentru prima dată la bordul unui spărgător de gheață, Röthelstein în 1995.

Compania care construiește și comercializează acum sistemul, ABB Azipod Oy, din Finlanda, a fost înființată în 1997 pentru a continua activitățile fostului Kvaerner Masa-Azipod, parte a șantierului naval Kvaerner MasaYards Helsinki.

Propulsia Azipod (Azimuthing Podded Drive) aduce numeroase beneficii și o economie semnificativă de combustibil, spre exemplu, în fiecare săptămână, nava Carnival Elation (navă de croazieră pe care este implementat sistemul Azipod) are un consum redus cu 40 de tone/săptămână față o navă soră care deține o propulsie cu ax clasic. Acest tip de propulsie nu a fost implementat doar din considerente economice, ci și din prisma unei bune manevrabilități făcând posibilă navigația în porturi aglomerate sau pasaje înguste.

Motorul electric localizat în bulb-Pod este controlat de un convertor de frecvență. Conceptul propulsiei cu cicloconvertor oferă costuri de operare reduse, dar și o libertate în amplasarea componentelor și utilajelor la bordul navelor. Împreună cu sistemul Azipod, cicloconvertoarele oferă navelor manevrabilitate peste limitele convenționale.

Tehnologia propulsiei cu cicloconvertoare este utilizată în mod extensiv pe navele de croazieră de lux, spărgătoare de gheață, tancuri petroliere. ABB, câștigându-și statutul de lider în domeniul propulsiei electrice.

Prezenta lucrare are ca scop studiul asupra caracteristicilor și performanțelor propulsiei de tip Azipod cu motor sincron trifazat alimentat de la un cicloconvertor. Sunt prezentate avantajele și dezavantajele acestui nou tip de propulsie în raport cu sistemul clasic cu transmisie prin arbori, conform literaturii tehnice și site-urilor de specialitate.

Capitolul I: DESCRIEREA NAVEI

Informații generale

Nava Carnival Elation este o navă de croazieră din clasa Fantesy, aparținând companiei Carnival. A fost construită de Kværner Masa-Yards pe șantierul naval din Helsinki, Finlanda și lansată la apă în data de 4 ianuarie 1998.

Nava Elation reprezintă prima navă de croazieră din lume la bordul căreia a fost implementat sistemul de propulsie de tip Azipod.

Fig. 1.1 Nava Carnival Elation în portul din Grand Turk. [25]

Planul punților

Fig. 1.1 Riviera Deck. [26]

Fig. 1.2 Main Deck. [26]

Fig. 1.3 Upper Deck. [26]

Fig. 1.4 Express Deck. [26]

Fig. 1.5 Atlantic Deck. [26]

Fig. 1.6 Promenade Deck. [26]

Fig. 1.7 Lido Deck. [26]

Fig. 1.8 Verandah Deck. [26]

Fig. 1.9 Forward Sports. [26]

Fig. 1.10 Aft Sports. [26]

Fig. 1.11 Grand. [26]

Fig. 1.12 Sun. [26]

Fig. 1.13 Imaginea de ansamblu a punților. [26]

Date tehnice

Clasa: Fantasy;

Tonaj: 71,909 GT;

Lungime: 261 m;

Lățime: 31 m;

Pescaj: 7,62 m;

Număr punți: 15;

Capacitate pasageri: 3050;

Instalația de putere: 6 motoare diesel Wärtsilä 12V38;

Propulsie: ABB AZIPOD (2 X 14 MW) alimentate de coicloconvertoare;

Viteză de croazieră: 21 knots (39 km/h);

Stabilizatoare: Un set de stabilizatoare duale. [27]

Concluzii

Nava Carnival Elation având o capacitate totală de 3050 de persone este de dimensiuni medii, dar cu toate acestea oferă o gamă largă de posibilități interactive la bordul său.

Odată cu implementarea propulsiei electrice de tip Azipod la bordul său, s-au îmbunătățit caracteristicile tehnice ale navei dar a sporit și confortul pasagerilor.

Capitolul II: CENTRALA ELECTRICĂ A NAVEI

Date generale

La bordul navei Carnival Elation este instalat un sistem diesel-electric compus din 6 motoare diesel de viteză medie, Wartsila 12 v 38 (7,920 kW/600 rpm) ce dezvoltă o putere totală de 47,520 kW (64,600 hp) fiind amplasate în două camere separate. Fiecare motor diesel antrenează un generator sincron trifazat ABB 11000 kVA, 6,6 kV, 60 Hz. Numele acestei mașini sincrone provine din caracteristica ei principală de funcționare și anume faptul că viteza câmpului învârtitor este întotdeauna egală cu viteza mecanică a rotorului mașinii, respectând formula:

(2.1) [5, pag.78]

unde: f – frecvența (Hz)

n – viteza rotorului (rpm)

p – număr perechi de poli

Generatoarele sincrone fabricate de ABB sunt proiectate pentru montare orizontală. Ele sunt livrate ca unități integrale, chiar până la cele mai mari dimensiuni și puteri. La generatoarele mici, carcasa se compune din trei segmente: carcasa statorului și două carcase laterale pe care sunt montați rulmenții, la generatoarele mari carcasele sunt realizate dintr-o bucată, echipate cu lagăre integrate pe suport.

ABB utilizează trei tipuri principale de răcire ale generatoarelor, cu:

Aer liber

Se utilizează atunci când în mediul ambient se găsește aer relativ curat. De obicei aerul este absorbit prin filtru, străbate părțile active ale generatorului și apoi este evacuat în același mediu. Este cel mai folosit sistem de răcire, fig 2.1; [18]

Fig. 2.1 Răcire generator cu aer. [18]

Aer-apă

Aerul de răcire circulă în circuit închis prin părțile active ale generatorului și prin schimbătorul de căldură aer-apă. Această configurație nu transmite aproape nicio căldură în mediul înconjurător și reprezintă o soluție ideală pentru situațiile în care este necesară realizarea răcirii cu un circuit închis printr-o instalație externă, se utilizează în zone periculoase sau în cazul în care calitatea aerului din jur nu este potrivită pentru răcirea directă. Acest tip de răcire este ideal pentru instalațiile din camera motoarelor ce au ventilație limitată, cum ar fi navele. Nava Carnival Elation folosește această modalitate pentru răcirea generatoarelor, fig. 2.2; [18]

Fig. 2.2 Răcire generator cu aer-apă. [18]

Aer-aer

Aerul de răcire circulă în circuit închis prin părțile active ale generatorului și prin schimbătorul de căldură aer-aer, fig.2.3. Această soluție este utilizată atunci când este nevoie de un circuit cu sistem de răcire închis cum ar fi sistemul de răcire aer-apă, dar apa este greu accesibilă. Acest sistem are nevoie de un ax montat, sau un ventilator electric suplimentar pentru asigurarea fluxului de aer prin răcitor. [18]

Fig. 2.3 Răcire generator cu aer-aer. [18]

Înfășurările statorice

Înfășurările de tensiune medie și mare, peste 15000 V sunt realizate din spire rectangulare din cupru izolate prin multiple straturi de fibră de sticlă ranforsate cu bandă de mica. Un număr variabil de straturi izolatoare pot fi aplicate bobinei de cupru în funcție de necesitatea barierei de dielectric cerută de tensiunea de ieșire. Toate materialele folosite includ impregnarea prin vacuum cu rășină, satisfăcând cerințele clasei F de temperatură (155°C). După introducerea în sloturile corespunzătoare, bobinele sunt fixate ferm pe poziție prin intermediul unor pene moi și ațe de menținere la capetele bobinei înainte de impregnarea sub presiune.

Miezul statorului este construit din plăci de oțel laminat izolate pe ambele părți cu un strat izolator anorganic rezistent la căldură. Canalele de răcire radiale asigură o răcire eficientă și uniformă a statorului.

Înfășurările rotorice

Înfășurările de excitație ale rotorului sunt realizate în concordanță cu clasa de izolație a statorului. Acest lucru asigură o fiabilitate ridicată și o durată lungă de viață chiar și cu sarcini asimetrice și condiții deosebite. Înfășurările rotorului sunt realizate din sârmă de cupru rectangulară emailată. Bobinele sunt impregnate sub presiune în rășină. Rotorul se compune din ax și poli magnetici. Polii sunt construiți în mod normal din placi de 2mm din oțel laminat. Plăcile sunt presate spre interior fiind inserate bare din oțel ce sunt sudate de plăcile finale.

Sistemul de excitație al generatoarelor sincrone de la bord

Toate generatoarele sincrone ABB au sistemul de excitație fără perii (brushless) controlat de un regulator automatic de tensiune (AVR – Automatic Voltage Regulator). Generatoarele se autoexcită, neavând nevoie de o sursă externă de putere. Regulatorul menține tensiunea generatorului în parametri stabiliți, în funcție de precizia selectată, indiferent de modificările de sarcină, temperatură și frecvență. În paralel cu alte generatoare, regulatorul reglează puterea reactivă în funcție de tensiunea rețelei sau valorile setate.

Pentru o funcţionare sigură a generatoarelor sincrone, cât şi pentru stabilitatea sistemului electroenergetic, sistemul de excitaţie trebuie să îndeplinească următoarele cerinţe de bază:

să fie direct și independent de reţeaua electrică exterioară;

să asigure forţarea excitaţiei până la valoarea maximă în timp minim;

să aibă viteză mare de creştere a excitaţiei;

să fie sigur în funcţionare.

Sursele de energie pentru sistemul de excitație sunt realizate prin: transformator de tensiune și transformatoare de curent în condiții de scurtcircuit, înfășurare auxiliară în stator, generator cu magneți permanenți montați pe arborele rotorului.

Sistemul de excitație brushless este o tehnologie folosită pentru crearea câmpului electromagnetic fără utilizarea inelelor alunecătoare și a periilor de carbon, astfel pierderile provocate de rezistența de contact a părților în mișcare și praful de carbon sunt eliminate.

Excitatorul brushless este montat în interiorul corpului generatorului și se compune din:

Rotor cu înfășurări trifazate și o punte redresoare de diode pe ax, ce alimentează înfășurarea rotorului principal cu c.c..

Stator cu înfășurări de curent continuu alimentate de AVR.

În fig. 2.4 sunt prezentate principalele tipuri de generatoare sincrone, și anume:

Generatorul conventional fig. 2.4 a), la care energia de excitație este produsă de un excitator de curent continuu și transmisă înfășurării de excitație principală printr-un sistem de perii cu inele alunecătoare. Tensiunea de ieșire este detectată de un regulator automat de tensiune (AVR), care reglează câmpul excitatorului de curent continuu astfel încât ieșirea acestuia să mențină câmpul principal de excitație la nivelul necesar pentru limitarea la o valoare constantă a tensiunii de ieșire a generatorului.

Generatorul static fig. 2.4 b), excitatorul de curent continuu este înlocuit cu un excitator electronic static, care de obicei include AVR. Sesizorul de tensiune și puterea de excitație sunt derivate din ieșirea generatorului principal; curentul de excitație este controlat de AVR, redresat și alimentează în continuare câmpul principal de excitație prin intermediul sistemului de perii alunecătoare.

Generatorul fără perii fig. 2.4 c), pe același ax cu rotorul principal de excitație, este montat

un generator pilot al cărui curent alternativ este redresat și transmis prin conductorii de pe arbore, înfășurării principale de excitație. Sistemul de excitație al generatorului pilot este controlat de AVR prin intermediul sesizorului derivat de la ieșirea generatorului principal. La bordul navei Carnival Elation, avem șase astfel de generatoare ce au un sistem de excitație brushless.

Fig. 2.4 Metode de producere a câmpului de excitație al generatoarelor: a) Convențional;

b) Static; c) Fără perii (Brushless). [33]

Concluzii

Datorită sigurenței mari în exploatare, a mentenanței și a întreținerii mai ușoare, generatorul sincron de tip brushless este de departe cel mai utilizat în aplicațiile de mari puteri, așa cum este și cazul navei Carnival Elation.

Capitolul III: DESCRIEREA SISTEMULUI DE PROPULSIE AL NAVEI

Prezentarea sistemelor POD și AZIPOD

În scopul limitării spațiului ocupat la bordul navelor de către instalația de propulsie s-a folosit ca alternativă constructivă pentru transmiterea momentului de rotație de la mașina principală la elicea propulsoare, transmisia mecanică de tip L sau Z. [14]

Transmisia de tip L este un tip de propulsie unde motorul electric de antrenare este montat vertical eliminându-se astfel al doilea angrenaj înclinat din compunerea trenului de rulare, acest tip de transmisie al puterii se numește de tip L deoarece mișcarea rotativă realizează un singur unghi drept, imitând litera L.

Transmisia de tip Z se deosebește față de cea de tip L prin faptul că mișcarea de rotație transmisă de la mașina principală către elicea de propulsie realizează două unghiuri drepte, eliminând motoarele electrice de antrenare, astfel lanțul de transmisie este în forma literei Z.

Aceste sisteme prezintă totuși dezavantaje legate de pierderile mecanice semnificative și de limitarea față de puterea transmisă la elicea de propulsie. Tipul de propulsie care utilizează între mașina principală și elice un sistem de tip L sau Z, dar care poate realiza manevrarea navei prin orientarea propulsorului la 360o poartă denumirea de propulsor azimutal.

În fig. 3.1 este prezentat un sistem azimutal cu elice contrarotativă-CRP (contra rotating propeller). În ultimul deceniu, interesul pentru propulsia de tip (CRP) a crescut și producători diferiți au dezvoltat noi sisteme de propulsie bazate pe elice duble, în special pentru utilizarea lor la ambarcațiuni de plantat și iahturi de agrement cu puteri cuprinse între (0,5-2 MW), dar și la nave cu gama mai mare de putere (2-4 MW). Desigur, există și alte categorii de aplicații în care există instalații de propulsie tip CRP, cum ar fi: unități Pod pentru nave de mari dimensiuni cu deplasări la viteze mari sau nave de tip ro-ro pentru transport de mare viteză.

CRP este format din două elice poziționate pe același ax dar rotindu-se în direcții diferite. Prin adăugarea celei de a doua elice se anulează și recuperează momentul de rotație al jetului de fluid al primei elice. Ca rezultat, se obține o mult mai bună manevrabilitate, mai puține vibrații, o mai bună tracțiune, o accelerare mai rapidă (cu până la 30%), o mai bună capacitate de operare la viteze reduse. Multe din performanțele reduse găsite la propulsiile clasice cu cârmă sunt substanțial îmbunătățite prin acest sistem.

Fig. 3.1 Sistem de propulsie azimutal cu elice contrarotativă. [28]

Cartelul SSP format din firmele Siemens și Schottel [30] au elaborat un nou sistem de propulsie Azipod fig. 3.2, cu puteri de 5-20 MW pe unitate, pretabil pentru orice tip de navă cu necesități de manevrabilitate deosebite și un consum mare de energie electrică: navele de croazieră, feriboturile, etc. Acest sistem este realizat din două elice montate pe un arbore comun, poziționate una în față și una în spatele Pod-ului rotindu-se în același sens, prin acest artificiu sarcina se împarte la cele două elice. Diametrul și dimensiunile propulsorului se reduc având ca efect creșterea eficienței globale a propulsorului.

Fig. 3.2 Sistem de propulsie SSP. [30]

O altă categorie de propulsoare Azipod sunt cele retractabile fig. 3.3, cu elicea poziționată într-o diuză Kort, care în poziție normală de funcționare este orientabilă, propulsorul având capacitatea de a se roti la 360o. În momentul escamotării într-un tunel amplasat în corpul navei, propulsorul ce comportă asemeni unui propulsor transversal-bowthruster.

Propulsoarele retractabile prezintă o serie de avantaje ca: reducerea consumului de combustibil în timpul tranzitului prin micșorarea rezistenței la înaintare, timp în care unitățile sunt retractate în interiorul corpului. [31]

Fig. 3.3 Propulsoare azimutale retractabile. [29]

Dezavantajele transmisiei de tip Z sau L legate de limitarea puterii transmise propulsorului și de pierderile mecanice pot fi înlăturate prin montarea unui motor electric cu frecvență variabilă într-un corp hidrodinamic orientabil de tip Pod (Propulsions with Outboard Drive – un bulb cu formă hidrodinamică poziționat în exteriorul corpului navei) pe același ax cu elicea propulsoare, amplasat sub navă. Acest sistem a fost implementat și la bordul navei Carnival Elation. Astfel, apare sistemul Azipod (Azimuthing Podded Drive) ce reprezintă o combinație între propulsie și manevrabilitate. Acest sistem azimutal se compune dintr-un corp Pod cu capacitatea de orientare la 360o (Azimuthing). Sistemul de propulsie Azipod electric este folosit la scară largă pentru navele de pasageri. Datorită performanțelor, confortului și al numărului redus de componente din interiorul corpului navei, este o soluție ideală pentru navele de croazieră, cu o plajă de putere cuprinsă între 10-20 MW pe unitate. Instalația de putere care produce electricitate pentu Pod-uri este poziționată în corpul navei, transmisia energiei la motorul electric al elicei realizându-se prin conductori electrici. În acest mod a fost înlăturat sistemul de transmisie mecanic.

În mod normal o navă este echipată cu mai multe unități Azipod. Aceste nave au o rază de întoarcere la viraj mai mică și se comportă mai bine în timpul opririlor de avarie ,,crash stops”, aceasta din urmă este o manevră efectuată la viteză maximă, obiectivul fiind oprirea completă a navei.

În fig. 3.4 este prezentată o comparație între raza de girație a navei Carnival Elation (35o) ce este dotată cu o propulsie de tip Azipod și raza de girație a unei nave soră (40o) ce are un sistem de propulsie clasic, cu arbori. [3]

Fig. 3.4 Comparație a girației între propulsia Azipod și cea convențională. [3]

Cerințele de spațiu pentru amplasarea sistemului de propulsie de tip Pod și Azipod sunt reduse, acestea fiind sisteme compacte cu o serie de avantaje legate de spațiul restrâns ocupat la bordul navelor, prin amplasarea motorului electric în afara corpului navei excluzând astfel nevoia liniilor de arbori. Astfel, spațiul destinat instalației de propulsie este redus. [14]

Prin amplasarea motorului electric în Pod pe același ax cu elicea propulsoare se elimină neajunsurile unui cuplaj mecanic prin intermediul arborilor, rulmenților și pierderile mecanice provocate de acestea. De obicei, la navele ce dețin un sistem de propulsie clasic, un factor important ce determină lungimea arborilor de transmisie a mișcării de la mașina principală de propulsie la elice îl constituie unghiul de asietă al navei goale și pescajul navei.

Un mod de diminuare a lungimii arborilor de transmisie il constituie montarea motorului cât mai aproape de pupa navei, acest artificiu este realizabil la navele ce își pot regla valoarile pescajului și al unghiului de asietă. Scăderea lungimii arborilor duce la o greutate mai redusă, prin urmare costuri mai mici de deplasare și de investiție; însă apropierea motorului principal de propulsie de elicea propulsoare mărește unghiul de înclinare al liniei de arbori, prin urmare se mărește unghiului de înclinare al planului elicei, un unghi nefavorabil hidrodinamic.

În acest caz, elicea este străbătută de un curent oblic ce creează forțe hidrodinamice nedorite pe pale ce se răsfrâng asupra liniei de arbori, fiind cunoscute ca ,,forțe de lagăr”.

Trebuie precizat că variațiile de tracțiune și moment, precum și excentricitatea propulsiei se măresc cu creșterea unghiului de înclinare, cu efecte nefavorabile în ceea ce privește nivelul de zgomote și vibrații. Odată stabilită poziția mașinii principale, celelalte componente ale mașinii se constituie împrejurul acesteia.

În schimb, odată cu alegerea sistemului de propulsie de tip Pod, problemele legate de amplasarea motoarelor de propulsie și a liniei de transmisie dispar, reducându-se totodată compartimentul mașinii în favoarea spațiului util ocupat de mărfuri sau pasageri.

Lipsa constrângerii în ceea ce privește amplasarea componentelor instalației de propulsie reduce cheltuielile de proiectare și construcție. Spre exemplu, interconectarea unui sistem de propulsie Pod cu o instalație de propulsie CODES – (combinație de motor diesel și turbine cu aburi), la o navă de croazieră tip Panamax (termen folosit pentru limita de dimensiune a navelor ce pot străbate Canalul Panama) de 80.000 TR, a permis adăugarea a încă 100 de cabine de pasageri comparativ cu aceeași navă dotată cu un sistem de propulsie convențional. [14]

Această libertate de poziționare a componentelor instalației de propulsie se poate observa în fig. 3.5 unde nava de croazieră Carnival Elation (dreapta jos) echipată cu o propulsie de tip Azipod realizează o mai bună gestionare a spațiului în comparație cu o navă soră (stânga sus) ce prezintă o propulsie de tip clasic cu arbori.

Fig. 3.5 Dispunerea instalației electrice Azipod. [1]

Înlocuirea instalației de guvernare cu cârmă, cu dispozitive de rotire, răcire, alimentare cu energie a sistemului Pod duce la dublarea spațiului ocupat. Însă, în ceea ce privește greutatea, prin înlocuirea instalației de propulsie de tip conventional cu una diesel electric cu sisteme Azipod, la navele de croazieră Fantasy avem un câstig de cca. 9.8 – 16.5 t/MW menținând același tip de generator. Implementarea sistemelor de tip Pod conduce la o creștere a eficienței propulsiei cuprinsă între 8-10%, acest procent se poate mări prin optimizarea formelor corpului navei. [1]

Prin utilizarea sistemului de propulsie de tip Pod la nava de croazieră Carnival Elation, s-a constatat o creștere a eficienței propulsiei cu 8% ceea ce a condus la o economie de combustibil de cca. 40 t/săptămână, iar câstigul de spațiu util a fost de cca. 100t. [1]

Făcând referire la rapoartele transferului de putere [14], (PD – puterea disponibilă la propulsor, PB – puterea utilă transmisă de mașina principală de propulsie) și comparând cele două tipuri de propulsie și anume cea clasică cu arbori și cea electrică Azipod, acestea sunt aproximativ egale.

Sistemele de tip Pod lucrează la turații diferite, de aceea nu sunt necesare elice cu pas reglabil, utilizarea elicelor cu pas fix duce la o economie substanțială și la simplificarea construcției propulsorului. Amplasarea elicei poate fi înainte sau după bulb. Navele echipate cu sisteme Azipod posedă o manevrabilitate sporită fapt ce determină lipsa necesității instalațiilor de gurvernare cu cârmă sau bowthrustere.

Deplasarea în marș înapoi se realizează prin schimbarea sensului de rotație al elicelor propulsoare sau prin rotirea Azipod-ului. Utilizându-se motoare electrice sincrone trifazate, inversarea sensului de rotație se realizează prin inversarea polarității a două faze, timpul necesar schimbării sensului de deplasare al navei Carnival Elation este de aproximativ 20s, de asemenea sistemul azimutal realizează o rotație de 180o în 22,5s. În condiții de oprire bruscă a navei – ,,crash-stop”, distanța se reduce la jumătate. [14]

Concluzii

Fiind evidente avantajele sistemelor Pod și Azipod cu privire la randamentul hidrodinamic, spațiul restrâns de la bordul navei, etc., acest sistem prezintă ca principal dezavantaj: costuri ridicate față de un sistem clasic cu arbori. Sistemul Azipod este caracterizat prin cheltuieli de proiectare și fabricație mai mari față de instalațiile de propulsie clasice cu linii de arbori, în schimb cheltuielile de montaj pe navă sunt mai mici. În ceea ce privește cheltuielile de exploatare, mentenanța este ușurată iar datorită sporirii eficienței propulsiei se poate reduce consumul de combustibil.

Propulsia de tip Pod și Azipod fiind caracterizată de avantaje multiple: de la confort sporit la bordul navelor ce le au în echipare, la spațiu de depozitare mai mare, până la un consum redus de combustibil, acestea au câștigat teren în detrimentul propulsiei clasice fiind utilizate în prezent cu succes la navele de pasageri, tancuri, spărgătoare de gheață.

Capitolul IV: STUDIUL TEHNIC AL SISTEMULUI DE PROPULSIE ELECTRIC CU MOTOR SINCRON TRIFAZAT ALIMENTAT DE LA UN CICLOCONVERTOR

Prezentarea propulsorului azimutal

Tehnologia mecanismului de direcție utilizată la sistemul Azipod a fost dezvoltată inițial din tehnologia tradițională a mecanismului de cârmă hidraulică. Cu toate acestea, pot fi notate următoarele caracteristici particulare legate de proiectare:

Funcționarea se realizează cu un circuit de lichid hidraulic închis, de înaltă presiune.

Rotație la 360o prin utilizarea motoarelor hidraulice rotative acreditate maritim, acționarea mecanismului de direcție realizându-se prin intermediul unor pinioane care se deplasează prin rama angrenajului mecanic.

Controlul direcției se realizează prin controlul proporțional al servo-benzii. [19]

Azipod-ul este girat cu un mecanism de cârmă electro-hidraulic așa cum este prezentat în fig. 4.1. Unitatea de alimentare hidraulică (HPU- Hydraulic Power Unit) produce fluxul de ulei pentru direcție cu una sau două pompe (Pompa 1, Pompa 2 din fig. 4.1). Pompele acționează motoare hidraulice rotative (M1,M2,M3,M4 din fig. 4.1) către babord sau tribord prin conductele de presiune prin intermediul unui circuit hidraulic închis. Motoarele hidraulice, la rândul lor, rotesc rama angrenajului mecanic prin intermediul pinioanelor. Trebuie menționat faptul că, la fel ca în sistemele de direcție cu cârmă obișnuită, o pompă ar trebui alimentată de la un tablou de distribuție de joasă tensiune, iar cealaltă pompă de la tabloul de distribuție de urgență al navei.

Fig. 4.1 Circuitul hidraulic de girație al Azipod-ului. [19]

Sistemul Azipod propriu-zis are în componență următoarele elemente distincte prezentate în fig. 4.2: 1) Elice cu pas fix; 2) Rulmenți și garnituri ale axului; 3) Ax; 4) Bloc instalații; 5) Sistemul hidraulic de direcție; 6) Sistemul inelelor alunecătoare; 7) Sistemul de ventilație; 8) Aerul de răcire; 9) Motorul electric; 10) Rulmenți. [19]

Fig. 4.2 Elementele propulsorului azimutal. [19]

Elicele Azipod-ului au întotdeauna pas fix (FPP- Fixed Pitch Propellers) datorită controlului vitezei și cuplului de către un convertor de frecvență. În mare măsură instalațiile de propulsie Azipod prezintă același tip de construcție.

Prezentarea instalației electrice de propulsie Azipod

Sistemele de propulsie electrică Azipod, în general se compun din urmatoarele elemente distincte: centrala electrică, tablouri electrice, transformatoare, convertoare de frecvență, motoare electrice de propulsie. [11]

Fig. 4.3 Schemă electrică principială sistem Azipod. [11, pag. 8]

Transformatorul, convertorul de frecvență și motorul de propulsie vor forma în continuare sistemul electric. Transformatorul și convertorul sunt amplasate în camera podului din navă, iar motorul în Pod.

Pentru transferul de energie electrică de la cicloconvertor la propulsorul azimutal dar și pentru transmisia datelor de control se utilizează sisteme MPS (Marine Propulsion Sliprings – Inele alunecătoare de propulsie marină), acestea permit rotirea podului la 360o. [22]

La bordul navei Carnival Elation se folosesc două module de propulsie Pod ce au constucții identice.

Fig. 4.4 Transmisia energiei electrice și a datelor prin intermediul inelelor alunecătoare pentru motorul electric aflat în Pod. [22]

Manevrabilitatea la 360o necesită instalarea unei unități de inele alunecătoare capabilă să transmită curenți de ordinul miilor de amperi dar să poată realiza și controlul datelor prin fibră optică sau inele convenționale.

După trei ani de teste și studii, sistemului MPS a fost introdus pentru prima dată pe petrolierul Lunni și apoi pe Botnica, însă în 1995 s-a realizat prima implementare a sistemului MPS la bordul navelor Carnival Class Fantasy.

Transf ormatoarele

Majoritatea dispozitivelor de acționare utilizate în sistemele de propulsie electrică navală necesită transformatoare de capacități mari.

Principalele motive pentru care sunt introduse transformatoarele în sistemul de propulsie electrică al navei Carnival Elation sunt:

pentru filtrarea perturbațiilor armonice din rețeaua electrică;

pentru a adaptarea tensiunii la un nivel adecvat pentru unitatea de acționare;

pentru a spori siguranța în exploatare izolând galvanic părți ale sistemului de propulsie. [29]

Cerințele de instalare impuse, incluzând nivelul redus de zgomot și vibrații, spațiu limitat, sistem de răcire special cu apă sau uscate și un grad înalt de securitate pentru a evita riscurile umane sunt câteva dintre principalele motive pentru care la bordul navei Carnival Elation s-au utilizat transformatoare ABB. În cazul alimentării cicloconvertoarelor din cadrul unei propulsii electrice de tip Pod, ieșirea transformatarelor poate fi concepută pentru 6, 12, 18 și 24 de pulsuri, situații prezentate în fig. 4.5.

Fig. 4.5 Transformatoare utilizate pentru 6, 12, 18 și 24 de pulsuri. [11, pag. 8]

Aproximativ 80% din transformatoarele din lume sunt produse cu înfășurări din aluminiu. Turnate în rășină și imersate în ulei, rezistența înfășurărilor este proporțională cu rezistența la efort a materialului și buna sa capacitate de izolare. În cadrul ABB materialul înfășurărilor este acoperit cu rășină având un conținut de 80% fibră de sticlă formând o structură ce are rezistența oțelului.

La navele de pasageri, tehnologia transformatoarelor se confruntă cu cerințe suplimentare legate de performanțe și probleme de compatibilitate, și anume:

în cazul pasagerelor, înălțimea punții este un criteriu important, dacă nu este amplasat în camera motoarelor, înălțimea maximă a transformatorului este restricționată la 3-3,5m, deși uneori poate fi și mai mică de 2m, dar și zgomotul ce provine de la transformator trebuie să fie minimizat;

nivelul competențelor echipajului adesea variază, ceea ce mărește interesul ca nava să fie tehnic cât mai sigură. Întrerupătoarele în vid din alimentarea transformatoarelor sporesc siguranța la bordul navei.

ABB utilizează trei tehnologii de transformatoare pentru navele de pasageri prezentate în fig. 4.6:

Transformatoare de tip uscat turnate (a);

Transformatoare de tip uscat, încapsulate în rășină și fibră de sticlă (b);

Transformatoare umplute cu lichid (c). [29]

Fig. 4.6. Tipuri de transformatoare utilizate de ABB în industria navală. [29]

Cicloconvertorul

Propulsia cu cicloconvertoare este un concept care oferă costuri de operare și emisii reduse, libertate în ceea ce privește poziționarea la bordul navei a componentelor mașinii. Împreună cu sistemele Azipod, cicloconvertoarele oferă manevrabilitate peste limitele convenționale. Acest tip de propulsie este utilizat în mod special pe navele de croazieră, spărgătoarele de gheață nucleare sau tancuri. La bordul navei Elation sunt utilizate cicloconvetoare trifazate produse de către firma ABB.

În funcție de numărul de pulsuri avem următoarele tipuri de cicloconvertoare:

Cu 6 pulsuri.

În fig.4.7 este prezentat cicloconvertorul cu 6 pulsuri, acesta se caracterizează prin cele mai mici costuri, greutate și volum redus. Înfășurările statorice ale motorului pot fi conectate în stea sau poate fi echipat cu înfășurări separate galvanic. Configurația în care înfășurările motorului sunt separate este cel mai des întâlnită la propulsia navelor. Dezavantajul acestui convertor cu 6 pulsuri este că prezintă un nivel ridicat de distorsiuni/armonici față de cicloconvertoarele cu un număr de pulsuri mai mare. [20]

Fig. 4.7 Cicloconvertor cu 6 pulsuri. [20]

Cu 12 pulsuri și 2×3 faze.

Se caracterizează prin fiabilitate și un nivel scăzut de distorsiuni armonice în rețea. În momentul în care înfășurările statorului sunt conectate în stea, fiecare fază a convertorului cu 6 pulsuri este alimentată de o înfășurare individuală secundară al unui transformator. Utilizând un motor cu 6 faze (2×3 faze cu un defazaj de 0o – fig. 4.8, (a) sau 30o – fig. 4.8, (b) între faze), este posibil să se reducă sau chiar să se elimine armonicile de curent 5 și 7, 17 și 19, etc. [20]

Fig. 4.8 Cicloconvertor cu 12 pulsuri, 2×3 faze. [20]

În fig. 4.9 este prezentată structura analogică a cicloconvertorului ce alimentează statorul motorului sincron cu 6 faze, configurație ce are un defazaj de 0o între fazele statorului.

Fig. 4.9 Structura analogică a cicloconvertorului cu 12 pulsuri si 2×3 faze. [34]

Cu 12 pulsuri și 3 faze.

Timpul de creștere al cuplului la un motor alimentat de un cicloconvertor cu 12 pulsuri prezentat în fig. 4.10, este mai bun față de același motor alimentat de un cicloconvertor cu 6 pulsuri. În plus, cu un astfel de sistem, tensiunea de alimentare a motorului poate fi crescută cu până la 3 kV, reducându-se costurile pentru conductori și pierderile de energie.

Se caracterizează prin: timp de răspuns rapid în curent și control al cuplului, distorsiuni armonice ale rețelei scăzute, pierderi reduse, nivel scăzut al pulsațiilor de cuplu, frecvența de ieșire maximă. Frecvența vârfurilor curentului principal de ieșire este 600 Hz (720 Hz pentru alimentare cu 60 Hz) comparativ cu 300 Hz (360 Hz pentru alimentarea cu 60 HZ) pentru un convertor cu 6 pulsuri. Aceasta înseamnă că amplitudinea pulsațiilor de cuplu cauzate de vârfurile distorsiunilor de curent sunt foarte scăzute iar vibrațiile la torsiune sunt neglijabile.

Fig. 4.10 Cicloconvertor cu 12 pulsuri. [20]

În fig. 4.11 este prezentată structura analogică a cicloconvertorului cu 12 pulsuri din fig. 4.10, ce alimenteză înfășurările statorice ale motorului sincron trifazat, dar și redresorul comandat (E) ce alimentează înfășurarea de excitație rotorică a motorului

Fig. 4.11 Structura analogică a cicloconvertorului cu 12 pulsuri. [23]

Principiul de funcționare al cicloconvertorului

Cicloconvertoarele realizează conversia energiei de c.a. cu parametrii constanți, în mod direct, tot în energie de c.a., ai cărui parametri pot fi modificați prin comandă. Funcționarea cicloconvertoarelor se bazează pe principiul redresoarelor bidirecționale, obținute prin conectarea în antiparalel a două redresoare identice, complet comandate. [4] Aceste convertoare funcționează în comutație naturală fiind formate din punți transversale cu tiristoare. Tiristoarele sunt comandate cu diferite întârzieri pentru preluarea porțiunilor dorite din sinusoida tensiunii de intrare. Din acest motiv, cicloconvertoarele sunt utilizate în acționările electrice reglabile de puteri foarte mari (100kW-10MW) și turații reduse, de obicei cu motoare sincrone.

Cicloconvertorul este o formă comună de comandă electrică a vitezei motoarelor electrice în game de putere mari, cum ar fi propulsia electrică. Față de alte forme de acționări, ca de exemplu cele cu PWM, VSI și LCI, ambele având un stadiu intermediar pentru facilitarea conversiei duale (c.a în c.c. și c.c. în c.a.), cicloconvertoarele constituie un tip de acționare directă ce transformă o tensiune de o frecvență în altă tensiune de altă frecvență fără a avea nevoie de un stadiu intermediar. În cazul propulsiei electrice, cicloconvertoarele se caracterizează prin faptul că frecvența de ieșire diferă față de cea de intrare cu maxim 33%, evitându-se reducțiile mecanice ale vitezei cu avantajul păstrării cuplului ridicat dar și al răspunsului dinamic. [21]

În condițiile conversiei, funcționarea cicloconvertoarelor este complexă, cu o punte pozitivă și una negativă necesară pentru fiecare fază a motorului. Pentru a facilita descrierea procesului unui cicloconvertor am prezentat funcționarea conversiei fază-fază cu o sarcină rezistivă, din fig. 4.12.

Fig. 4.12 Cicloconvertor fază-fază cu sarcină rezistivă. [21, pag. 76]

Așa cum este ilustrat în fig. 4.12, reprezintă tensiunea de intrare la frecvența . În acest exemplu, SCR – redresorul semiconductor controlat (semiconductor controlled rectifier) se comportă ca o diodă, având unghiul de deschidere , de amintit faptul că și reprezintă unghiurile de deschidere ale punților pozitive și negative. [21]

Referindu-ne la secțiunea (b) din fig. 4.13, pentru a realiza o frecvență de ieșire de 25% din frecvența de intrare (exemplu: 15 Hz din 60 Hz) puntea pozitivă furnizează curent către sarcină pentru primele două cicluri ale redresând tensiunea alternativă de intrare în patru jumătăți pozitive de ciclu așa cum este ilustrat. [21]

Fig. 4.13 (a) Tensiunea de intrare,

(b) Tensiunea de ieșire, , pentru unghiul de deschidere α = 0,

(c) Tensiunea de ieșire, , pentru unghiul de deschidere α = π/3 rad,

(d) Tensiunea de ieșire, , pentru unghiul de deschidere α variabil. [21, pag. 77]

În timpul următoarelor două cicluri ale tensiunii din fig. 4.13 (c), convertorul negativ furnizează curent sarcinii în sens opus (în fig. 4.13 deoarece sarcina este rezistivă, forma de undă a curentului coincide cu cea a tensiunii). În configurația de mai sus când o punte este deschisă, cealaltă este blocată.

Așa cum poate fi observat în fig. 4.13 (b), frecvența tensiunii de ieșire reprezintă 25% din frecvența de intrare. Frecvența de ieșire poate fi modificată prin ajustarea numărului de cicluri de operare ale convertoarelor pozitive și negative. De specificat posibilitatea cicloconvertoarelor de a fi utilizate ca ridicătoare ,,step up” sau coborâtoare ,,step down” de frecvență.

Cicloconvertoarele furnizează o tensiune bazată pe unghiul de aprindere (deschidere) al tiristoarelor, funcționarea cu un unghi constant va determina, la ieșire, o formă de undă ce conține armonici considerabile. În realitate, forma de undă pătrată prezentată în fig. 4.13 (b) și (c) va fi modificată cât mai apropiat de o undă de formă sinusoidală, modificându-se unghiul de aprindere așa cum este arătat în fig. 4.13 (d). Această modulare a unghiului de aprindere va reduce armonicile de ieșire și va oferi motorului de propulsie o formă de undă propice.

O pereche de punți de tiristori, pozitivă și negativă poate furniza tensiune fie de polaritate pozitivă fie negativă, în funcție de necesitatea din momentul respectiv. Trebuie subliniat faptul că puntea pozitivă poate furniza doar curent pozitiv, iar puntea negativă doar curent negativ, iar în consecință polaritatea curentului determină care punte alimentează sarcina în momentul respectiv.

Când polaritatea curentului de sarcină se schimbă, puntea respectivă care anterior furniza curent va fi blocată iar altă punte este activată cu scopul de a inversa curentul. Motorul are nevoie ca mărimea tensiunii efective să fie continuă tot timpul și în timpul schimbării sensului curentului, media tensiunii efective furnizată de ambele punți trebuie să fie egală pentru a preveni producerea salturilor de tensiune și a șocurilor de curent.

Tensiunea de ieșie produsă de cicloconvertor are un conținut ridicat de armonici, dar care poate fi redus printr-o sintetizare atentă a algoritmului unghiurilor de aprindere ale punților. Motoarele sincrone filtrează (absorb) majoritatea armonicilor înalte și în plus atenuează o parte din armonicile joase datorită pierderilor inerente din reactanță.

Pulsurile de comandă ale cicloconvertorului sunt generate de un oscilator care se reglează în funcție de frecvența dorită și momentul trecerii prin zero al fazei, iar lățimea sau durata pulsului reglează puterea, un exemplu de o astfel de succesiune de pulsuri este simulată în Matlab/Simulink în fig. 4.14.

Fig. 4.14 Simularea în Matlab/Simulink a comenzii tiristoarelor într-un cicloconvertor cu 12

pulsuri astfel: pe rândul (a) este prezentată tensiunea sinusoidală trifazată de intrare în cicloconvertor, pe rândurile (p1-p12) sunt prezentate pulsurile de comandă.

Convertizoare de frecvență utilizate în propulsia navală

Rolul cicloconvertorului de frecvență este de a modifica viteza și cuplul motorului prin controlul frecvenței de lucru. În domeniul propulsiei electrice de tip Azipod se remarcă trei tipuri principale de convertoare, acestea sunt ilustrate în fig. 4.15.

Invertorul sarcină comutată (LCI – Load Commutated Inverter) fig. 4.15 (a) și convertorul ciclo (cycloconverter) fig. 4.15 (b) reprezintă cele mai utilizate tipuri, fiind totodată predecesorii tehnologiei de acționare c.c., ce utilizează ca și semiconductori tiristorul ce poate fi doar pornit; ABB folosește cicloconvertoare iar RR folosește LCI. Invertorul sursă de tensiune (VSI – Voltage Source Inverter) – al treilea tip, se diferențiază față de celelalte două tipuri mai sus menționate prin înlocuirea semiconductoarelor de tip tiristor, cu comutatoare controlate, fapt datorat evoluției tehnice a semiconductoarelor de putere. Comutatorul se remarcă prin posibilitatea de pornire și oprire, tensiunea de ieșire fiind astfel controlată prin modulație lățime puls (PWM – Pulse Width Modulation). Acest tip de convertor apare adesea sub numele de VSI-PWM. ABB folosește IGCT (Tiristorul comutat cu o poartă integrată) și RR utilizează IGBT (Tranzistor bipolar cu poartă izolată). [11] VSI cu circuit intermediar de tensiune continuă este caracterizat de faptul că sursa de

alimentare de c.c. funcționează în regim de generator de tensiune (sursă de tensiune) ca urmare a prezenței unui condensator C în paralel cu sursa.

Din acest motiv invertorul se mai numește și invertor de tensiune. La acest tip de convertoare se comută tensiunea în circuitul de ieșire, aceasta având o formă dreptunghiulară. Curentul se stabilește în raport cu caracterul sarcinii. În figura 4.15 (c) este prezentată topologia de bază a VSI cu circuit intermediar de tensiune continuă. [11]

Fig. 4.15 Imaginile simplificate ale celor trei tipuri de convertoare folosite în propulsia electrică navală: a) Convertor LCI folosit de RR, b) Convertor ciclo – folosit de ABB, c) VSI. [11, pag. 8]

Particularități privind producerea de armonici datorate conversiei statice de putere în sistemele electroenergetice navale

Caracteristicile curentului de intrare al cicloconvertoarelor și armonicile conținute sunt complexe și depind de următorii factori: numarul de pulsuri ale cicloconvertorului, mărimea relativă a tensiunii fundamentale de ieșire, raportul dintre frecvența de intrare și cea de ieșire, modificarea factorului de putere al sarcinii.

În cazul aplicațiilor de mari dimensiuni, cicloconvertoarele cu 6 pulsuri nu sunt utilizate. Acționările multi-puls, inclusiv 12 pulsuri, reprezintă norma pentru a minimiza curenții armonici de intrare și întreruperile asociate ale sistemului de alimentare cu energie electrică. Fig. 4.16 ilustrează forma de undă a curentului de intrare asociat unui cicloconvertor cu 12 pulsuri.

Fig. 4.16 Curentul de intrare asociat unui cicloconvertor cu 12 pulsuri. [21]

Ieșirea cicloconvertorului

Deoarece fiecare dintre ieșirile trifazate ale cicloconverterului au aceeași formă de undă, defazate cu 120 de grade așa cum se poate observa în fig. 4.17, fiecare dintre acestea au aceleași proprietăți. Prin urmare, studierea unei singure faze de ieșire la un moment dat va oferi informații suficiente pentru toate celelalte trei ieșiri. Vârfurile și colțurile formei de undă de ieșire reprezintă sursa unei cantități mari de armonici ale formei de undă. [21]

Fig. 4.17 Ieșirea unei singure faze al unui cicloconvertor cu 6 pulsuri. [21]

De exemplu, într-un cicloconvertor cu 6 pulsuri, unde intrarea este de 60 Hz și ieșirea este de 24 Hz, cea mai mică frecvență a armonicii cu o magnitudine substanțială are loc la 192 Hz. Armonicile în convertoarele pozitive și negative adesea se combină și se anulează reciproc.

Intrările cicloconvertorului

Controlând forma de undă a tensinii de intrare pentru a determina o formă dorită la ieșire se creează armonici în sursa cicloconvertorului. Curenții fiecărei faze de intrare pot circula numai când tiristoarele corespunzătoare nu sunt blocate. Acest lucru creează pulsații în curentul de intrare, care corespund distorsiunii de curent armonic ce poate fi în detrimentul sursei.

Intrările armonice ale curentului de intrare pe fiecare fază al unui cicloconvertor cu 12 pulsuri comutat în mod optim pot fi definite de relația:

(4.1)

unde:

p=12 (număr de pulsuri),

– frecvența de intrare,

m – 1,2,3…,

n – 0,1,2…,

– frecvența de ieșire. [21, pag. 83]

Motorul sincron trifazat utilizat pentru propulsia Azipod a navei

Motorul electric realizează conversia puterii electrice în putere mecanică. În mod normal mașina sincronă nu este folosită în aplicații navale cu excepția propulsiei de mare putere, peste 5 MW, în game mai mici de putere, motorul asincron este folosit fiind mai competitiv financiar.

Motorul poartă numele de sincron datorită faptului că viteza de rotație a rotorul este aceeași cu cea a câmpului magnetic învârtitor (viteză de sincronism) coform formulei (2.1). La acest tip de motoare, rotorul este alimentat de către o excitatoare printr-un tranasformator și un convertor de excitație. Construcția motorului sincron este asemănătoare cu acea a generatorului sincron prezentat în capitolul 2.1. În ceea ce privește statorul, în schimb rotorul prezintă perii și inele alunecătoare pentru a transmite curentul de excitație la înfășurarea rotorică. Numărul fazelor statorice fiind de trei sau șase. În fig. 4.18 este prezentată o etapă din montarea unui motor electric utilizat în propulsia electrică Azipod din cadrul unui șantier ABB.

Fig. 4.18 Asamblarea rotorului unui motor sincron. [24]

În Fig. 4.19 a) este prezentat sistemul de răcire forțată al motorului electric de propulsie prin intermediul ventilatorului și al unei instalații de transfer de căldura cu apă dulce. Acesta este cel mai modern sistem de răcire al motoarelor de propulsie de tip Pod.

Axul de antrenare este susținut de doi rulmenți, fiecare rulment este lubrifiat de către o pompă așa cum este exemplificat în fig 4.19 b). Uleiul este circulat cu ajutrul pompelor în (SSU – Shaft line Support Unit) situat în camera Azipod, unde este filtrat și răcit. [19]

Fig. 4.19 a) Sistemul de răcire forțată al motorului sincron trifazat.

b) Lubrifiera lagărelor motorului sincron din interiorul Azipod-ului. [19]

Concluzii

În cazul sistemului de propulsie electric cu motor sincron, cicloconvertorul, în funcție de configurația aleasă joacă un rol foarte important, de el depinzând în mare parte eficiența propulsiei.

Întreg sistemul electric dintr-o astfel de propulsie prezintă mai multe avantaje precum o ușurință mai mare în exploatare, totodată și confortul de la bordul navelor ce îl au în dotare este îmbunătățit față de un sistem clasic cu arbori; bineînțeles toate aceste avantaje se răsfrâng asupra costurilor inițiale care sunt ridicate.

Capitolul V: SIMULAREA ÎN MATLAB/SIMULINK A FUNCȚIONĂRII UNUI MOTOR SINCRON ALIMENTAT DE LA UN CICLOCONVERTOR

Modelarea matematică a ansamblului elice-motor sincron-cicloconvertor utilizat pentru propulsia navei de pasageri Carnival Elation

Evoluția utilizării energiei electrice la navele marine a început pentru prima dată sub formă de becuri la bordul navei SS Columbia în 1880 pentru iluminat, mergând mai departe la utilizarea în sistemele de propulsie hibride cu turbine cu abur și motoare diesel și ajungând în zilele noastre la prima navă în întregime electrică prin utilizarea bateriilor, în 2015.

Acest capitol are ca scop reproducerea propulsiei electrice a unei nave de croazieră, Carnival Elation, în programul Matlab/Simulink în vederea observării și interpretării parametrilor mecanici și electrici având o sarcină constantă la arborele motorului sincron de antrenare a elicei. Se va scoate în evidență avantajul motoarelor sincrone, acela de a-și păstra cuplul constant la frecvențe variabile de alimentare ce nu depășesc frecvența nominală a motorului la cupluri de sarcină inferioare celui maxim sincron.

Elicea [9, pag. 18]

Pentru o elice cu pas fix, relația dintre forța de propulsie, cuplu și putere poate fi stabilită astfel:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

unde: – este tracțiunea elicei ,

– este viteza arborelui elicei ,

– este cuplul elicei și este puterea elicei .

Parametrii sunt: – densitatea apei,

– diametrul elicei,

– coeficientul de propulsie,

– coeficient de cuplu.

Rearanjând formulele (5.1) și (5.3):

(5.4)

(5.5)

(5.6)

unde: și – sunt parametri variabili și caracteristicile se modifică în funcție de tipul elicei. Pentru simplitate au fost aleși ca și constante pozitive. Formula (5.6) poate fi scrisă ca:

(5.7)

unde: .

Motorul sincron de propulsie [9, pag. 19]

Input-urile modelului de elice sunt: – turația arborelui elicei, – cuplul mecanic al arborelui elicei, – puterea arborelui elicei. Pierderile motorului sincron sunt simplificate în patru termeni, pierderile rotorului electric și ale statorului, pierderile de miez care se presupune că sunt proporționale cu pătratul tensiunii spațiului de aer și pierderile prin frecare.

(5.8)

unde: și – reprezintă rezistența înfășurării de câmp și curent,

și – reprezintă rezistența înfășurării de armătură și curent,

– este echivalentul rezistenței pierderilor de miez,

– este tensiunea spațiului de aer,

– este constanta de frecare,

– este turația arborelui elicei.

prin urmare: (5.9)

(5.10)

unde, curentul de câmp , pentru simplitate se presupune a fi:

(5.11)

Constanta reprezintă excitația la turație de mers în gol și excitația aproximativă datorată variației sarcinii. Aceste constante ar trebui alese în funcție de datele caracteristice ale motorului. Subscriptul N indică valorile nominale. Acest randament devine:

(5.12)

(5.13)

(5.14)

unde: , (5.15)

Cicloconvertorul [9, pag. 21]

Se presupune că pierderile de conducție sunt dominante, iar modelul de pierderi adecvat pentru curba specifică caracteristicilor este dat de:

(5.16)

unde: – este curentul motorului dat de relația (5.14),

– este un termen ce reprezintă pierderile de recuperare inversă posibile, pierderi de răcire etc., și sunt constante ce reprezintă pierderile de conducție.

Cicloconvertorul este de obicei combinat cu un motor sincron pentru realizarea propulsiei. Factorul de putere la ieșire este apoi controlat, prin urmare factorul de putere al rețelei depinde în cea mai mare parte de unghiul de aprindere al cicloconvertorului. Acesta va varia ușor odată cu diferitele configurații, dar de obicei convertorul are un factor de putere de (0.7±0.75) pentru sarcini de la 50±100%. Pentru sarcini mai mici se presupune că factorul de putere scade liniar.

(5.17)

(5.18)

(5.19)

(5.20)

unde: – reprezintă factorul de putere,

– indică puterea sarcinii la un anumit și este puterea sarcinii.

Factorul este utilizat pentru a evita dificultățile numerice legate de puterea zero și poate fi ales cât mai mic posibil conform:

(5.21)

(5.22)

Schema bloc a modelului de simulare al ansamblului motor sincron-cicloconvertor în Matlab/Simulink

Fig. 5.1, prezintă în ansamblu, întreg sistemul de alimentare al motorului sincron de la un cicloconvertor, dar totodată și blocurile de: control al cicloconvertorului, măsurare al valorilor mecanice-electrice și reglaj al parametrilor.

Pentru a simula o propulsie cât mai reală, s-a introdus pe pagina principală o interconexiune sub forma unui cursor cu indicator de procentaj pentru reglarea frecvenței.

Fig. 5.1 Schema bloc în Matlab/Simulink a alimentării unui motor sincron de la un cicloconvertor.

În sistemul de control din fig. 5.2, ca elemente de comandă al valorilor de ieșire avem:

Output voltage (V peak) – reglarea valorii tensiunii de ieșire,

Output frequency (Hz) – reglarea frecvenței de ieșire.

Fig. 5.2 Sistemul de control al cicloconvertorului.

În partea dreaptă din fig. 5.2 se observă blocurile formatoare de pulsuri, câte unul pentru fiecare fază (3 x ,,Cyclo Firing Control” prezentate detaliat în fig. 5.4) având ca element de comandă detectoarele de trecere prin zero a tensiunii de rețea.

În fig. 5.3 este prezentat ansamblul PLL (phase-locked loop – buclă de calare a fazei) este un circuit care face ca un sistem particular să îl urmarească pe un altul. Mai precis, bucla PLL sau bucla de calare a fazei este un circuit ce sincronizează un semnal de ieșire cu un semnal de referință sau de intrare atât în frecvență cât și în fază. [31]

În stare de sincronizare (adesea numită de calare), eroarea de fază dintre semnalul de ieșire și cel de referință este zero sau rămâne constantă. [31]

Fig. 5.3 Bucla PLL (Subsistem fig. 5.2).

Fig. 5.4 Bloc formator de pulsuri (Cyclo Firing Control Ph A/B/C – Subsistem fig. 5.2).

Generatorul de pulsuri primește semnalul de trecere prin zero (unghiuri de defazaj) iar în funcție de acesta ia decizia să trimită pulsuri de comandă către tiristoare la anumite unghiuri prestabilite.

Succesiunea pulsurilor se poate observa în fig. 5.5, pentru a nu încărca capitolul s-a prezentat orientativ o succesiune de pulsuri pentru ambele ramuri, pozitiv/negativ, la o frecvență oarecare.

Fig. 5.5 Pulsurile generatorului de pulsuri.

Schema electrică a cicloconvertorului

În fig. 5.6. este prezentată o fază dintre cele trei identice ale cicloconvertorului sub aspectul semiconductoarelor (tiristori). Bornele cu portocaliu – (negativ) și albastru – (pozitiv) reprezintă intrările pulsurilor de comandă, de exemplu când sunt alimentați tiristorii de pe ciclul negativ aceștia conduc alternanța negativă și invers.

Fig. 5.6 Structura tiristoarelor de pe o fază a cicloconvertorului.

Fig. 5.7 Structura electronică a unui cicloconvertor cu 12 pulsuri utilizat în simularea Matlab/Simulink. [12]

Descrierea blocurilor de măsurare ai parametrilor în Matlab/Simulink

Cu ajutorul osciloscoapelor din fig. 5.8 se pot măsura și interpreta: tensiunile de sursă, curenții de sursă, tensiunile de sarcină, curenții de sarcină, pulsurile generatorului de pulsuri și se poate observa diferența formei de undă a tensiunii de sarcină față de tensiunea de referință.

Fig. 5.8 Măsurarea parametrilor electrici pentru Sursă, Sarcină, Generator Pulsuri.

Cu ajutorul osciloscoapelor din fig. 5.9 au fost măsurate și interpretate: viteza și cuplul electromagnetic.

Fig. 5.9 Măsurarea parametrilor motorului.

Realizarea simulărilor și culegerea datelor

Simularea are ca scop prezentarea cât mai veridică a funcționării unei propulsii electrice aflate la bordul unei nave de pasageri. S-au realizat măsurători în funcționare pentru patru frecvențe diferite: 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 70 Hz, produse de cicloconvertor pentru alimentarea motorului sincron ce are o frecvență nominală de 60 Hz.

Sarcina la arborele motorului sincron de antrenare a elicei de propulsie se menține constantă pe tot parcursul simulării; sarcină constantă este echivalentul unei ape calme, de gradul 0-1 ce produce variații aproape nesemnificative ale sarcinii la arborele motorului electric. Pentru realizarea lucrării s-au efectuat patru porniri diferite ale motorului sincron alimentat de la un cicloconvertor la cele patru frecvențe: două sub cea nominală (40 Hz, 50 Hz), una egală cu cea nominală (60 Hz) și una peste cea nominală (70 Hz). Graficele valorilor monitorizate sunt prezentate în continuare:

Parametrii electrici

S-au efectuat măsurători ale parametrilor electrici la toate cele patru frecvențe de ieșire ale cicloconvertorului: 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz și 70 Hz. Au fost menținute constante tensiunea și frecvența sursei de alimentare a cicloconvertorului, dar și sarcina la arborele motorului electric de propulsie.

În fig. 5.10 sunt reprezentați parametrii obținuți la frecvența de ieșire de 40 Hz.

Fig. 5.10 Parametri obținuți la frecvența de ieșire a cicloconvertorului de 40 Hz: a) Tensiuni sursă, b) Curenți sursă, c) Comparație între forma de undă a Tensiunii de sarcină și Tensiunea de referință,

d) Tensiuni sarcină, e) Curenți sarcină.

În continuare, parametrii obținuți pentru celelalte frecvențe de ieșire ale cicloconvertorului sunt expuși în anexa 1 (pentru 50 Hz și 60 Hz) și anexa 2 (pentru 70 Hz).

Parametrii motorului

În paralel cu monitorizarea parametrilor electrici ai cicloconvertorului, s-au efectuat măsurători asupra parametrilor motorului sincron trifazat de propulsie la toate cele patru frecvențe de alimentare de la un cicloconvertor: 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz și 70 Hz, menținându-se constantă sarcina la arborele motorului de propulsie. Parametrii monitorizați sunt: viteza la pornire și cuplul la pornire. În continuare, sunt prezentați parametri cuplu și viteză la frecvențele de alimentare ale motorului sincron trifazat de propulsie de: 40 Hz (frecvența cea mai mică față cea nominală de 60 Hz la care s-au realizat măsurători, fig. 5.11) și 70 Hz (frecvența cea mai mare, peste cea nominală de 60 Hz la care s-au realizat măsurători, fig 5.12).

Fig. 5.11 Parametri obținuți la frecvența de alimentare a motorului sincron trifazat de 40 Hz față de 60 Hz nominal: a) Viteza la pornire, b) Cuplul la pornire.

Fig. 5.12 Parametri obținuți la frecvența de alimentare a motorului sincron trifazat de 70 Hz față de 60 Hz nominal: a) Viteza la pornire, b) Cuplul la pornire.

Parametrii obținuți pentru celelalte două frecvențe de alimentare ale motorului sincron trifazat de propulsie se regăsesc în anexa 3 (pentru 50 Hz față de 60 Hz nominal) și în anexa 4 (pentru 60 Hz față de 60 Hz nominal).

Interpretarea parametrilor viteză/cuplu ai motorului sincron trifazat de propulsie

Conform teoriei: “motorul sincron funcționează la turația de sincronism indiferent de sarcina la arbore (pentru un cuplu de sarcină inferior celui maxim sincron), astfel încât rezultă că reglarea vitezei se poate efectua prin variația frecvenței tensiunii de alimentare sau prin schimbarea numărului de perechi de poli.

Putem cita că unul din principalele domenii de aplicare, acționarea elicelor navelor cu propulsie electrică, modificarea vitezei de rotație a motoarelor făcându-se la (fig. 3.18).

Prin această metodă se modifică turația în ambele sensuri față de turația de bază corespunzătoare frecvenței și tensiunii nominale. Creșterea frecvenței peste turația nominală, nu permite menținerea raportului valoarea efectivă a tensiunii fiind limitată superior, altfel se străpunge izolația dintre spirele înfășurării statorice”

Din acest motiv, la frecvențe , cuplul maxim deci și cuplul dezvoltat de motor se micșorează conform relației (3.39)

(3.39) ” [5]

În urma simulării primelor trei porniri la frecvențele: 40 Hz, 50 Hz, 60 Hz față de frecvența nominală de 60 Hz, motorul având sarcină constantă la arbore, au fost reprezentați grafic patametrii motorului în fig. 5.11 și anexele 3,4.

Se constată că, după stabilizarea turației (a), cuplul electromagnetic (b) este pozitiv și se păstrează egal în toate cele trei cazuri (40 Hz în fig. 5.11/ 50 Hz în anexa 3/ 60 Hz în anexa 4), iar fiecărei frecvențe de alimentare a motorului sictron trifazat de propulsie îi corespunde o turație conform formulei din teorie (2.1).

În cazul celei de-a patra porniri a motorului sincron, la frecvența de 70 Hz față de frecvența nominală de 60 Hz, ai cărui parametri sunt prezentați în fig. 5.12, se observă că valoarea turației (a) a crescut peste cea nominală (atinsă la 60 Hz) în timp ce valoarea cuplului electromagnetic (b) a scăzut; fapt datorat depășirii valorii frecvenței nominale.

Concluzii

Toate aceste observații legate de raportul viteză/cuplu se adeveresc conform teoriei din manualele de școlarizare mai sus menționată. Datorită avantajului motoarelor sincrone, acela de a-și păstra constant cuplul la arborele motorului indiferent de variațiile frecvenței de alimentare, dar nu mai mari față de frecvența nominală, și nedepășind cuplul de sincronism; acestea au devenit din ce în ce mai utilizate în propulsia electrică navală de mare putere.

Capitolul VI: STUDIU EXPERIMENTAL AL FUNCȚIONĂRII UNUI CICLOCONVERTOR TRIFAZAT

Descriere experiment

Pentru realizarea montajului am utilizat următoarele componente: laptop pentru crearea softului/simulării dar și cu rol de sursă de energie pentru proiect, placă de dezvoltare Arduino Mega 2560, Lcd QAPASS 1602A pentru afișarea datelor, LED-uri pentru indicarea frecvenței și pentru simularea sarcinii, potențiometru pentru reglarea frecvenței cicloconvertorului, conductori flexibili, mufe, breadboard pentru realizarea montajului, instrumente pentru lipit (pistol de lipit, cositor, pastă decapantă). Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560, utilizată pentru realizarea montajului practic, este o placă bazată pe procesorul ATmega2560. Dispune de 54 de intrări/ieșiri digitale, dintre care 14 pot fi utilizate ca ieșiri PWM, 16 intrări analogice, 4 UART-uri (porturi seriale hardware), un oscilator de cristal de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, un antet ICSP și un buton de resetare. [32]

Conform schemei de lucru din fig. 6.1 sarcina rezistivă, simulează alimentarea unui motor sincron trifazat a cărei turație este reglată prin modificarea frecvenței de ieșire a cicloconvertorului (Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560) cu ajutorul unui potențiometru de reglaj al frecvenței. LED-urile au fost montate pentru a se putea vedea real variația frecvenței.

Fig 6.1 Schema electrică a cicloconvertorului trifazat în programul Proteus 8 Professional.

Realizarea proiectului

Relizarea proiectului curpinde 2 etape:

Crearea softului/schemei electrice și simularea acestora:

a fost creat softul în programul Arduino Mega 2560 (salvat sub denumirea: “Arduino_3_1.ino.mega.hex”) pentru alimentarea unui motor sincron trifazat cu 12 perechi de poli;

din fereastra softului scris anterior (în programul Arduino Mega 2560) a fost realizată comanda: ,,schetchexport compiled Binary”;

a fost creată schema electrică a convertorului de frecvență în programul Proteus 8 Professional, afișat în fig. 6.1;

pe procesorul ATmega2560 al plăcii de dezvoltare Arduino Mega 2560 din interiorul schemei de la punctul (3.) a fost upload-at softul exportat de la punctele (1.-2.);

în programul Proteus 8 Professional s-a rulat noul soft upload-at pe procesor (punctul 4.) și prin intermediul potențiometrului de reglaj al frecvenței am reglat frecvența de ieșire a cicloconvertorului la 41 Hz anexa 5 și 51 Hz anexa 6.

Realizarea practică a montajului.

După realizarea montajului paractic, respectând în mare parte simularea din Proteus 8 Professional, softul creat în programul Arduino Mega 2560 (salvat sub denumirea: “Arduino_3_1.ino.mega.hex” de la punctul A.1.) a fost uploadat de pe laptop pe placa de dezvoltare prin intermediul cablului USB. Cu ajutorul potențiometrului de reglaj al frecvenței am stabilit mai multe frecvențe de lucru.

Această variație a frevenței se poate observa odată prin aprinderea succesivă a LED-urilor indicatoare de frecvență, cât si prin intermediul display-ul de lucru ce afișează frecvența de lucru dar și conversia acesteia în turația motorului sincron trifazat fictiv, așa cum se poate observa în fig. 6.2.

Conform formulei (2.1), s-au realizat două calcule ale turției motorului sincron trifazat cu 12 perechi de poli:

Pentru frecvența: 51Hz , Turația: 255 rpm, fig. 6.2 (a)

Pentru frecvența: 41Hz , Turația: 205 rpm, fig. 6.2 (b).

Atât în simularea realizată în programul Proteus 8 Professional cât și în montajul practic, se respectă dependența turației motorului sincron trifazat față de frecvență.

a)

b)

Fig 6.2 a) Frecvența: 51Hz, Turația: 255 rpm, b) Frecvența: 41Hz, Turația: 205 rpm

Concluzii

Prin acest studiu experimental s-a încercat scoaterea în evidență a avantajelor utilizării unui cicloconvertor, pentru reglarea turației unui motor sincron trifazat de propulsie navală, în detrimenul altor metode de reglare a turației.

Aceste avantaje sunt: ușurință în exloatare, simplitatea conexiunilor de alimentare ale motorului sincron trifazat față de metoda schimbării numărului de poli, creșteri și scăderi line ale turației motoarelor sincrone trifazate.

BIBLIOGRAFIE

[1] Alf Kåre Ådnanes, Maritime Electrical Installations And Diesel Electric Propulsion, Instalații electrice maritime și propulsia electrică diesel, Oslo, ABB AS Marine, 2003;

[2] Asgeir J. Sørensen, Marine Control Systems. Propulsion and Motion Control of Ships and Ocean Structures, Sisteme de control maritime. Controlul mișcării și propulsiei navelor și structuri oceanice, Trondheim Norway, Department of Marine Technology NTNU, 2013;

[3] Barun Gupta, Kumar Surendra Prasad, Azipod Propulsion System, Sistemul de propulsie Azipod, Marine Engineering and Research Institute, India;

[4] Dan Popa, Convertoare Statice, Constanța, Editura NAUTICA, 2007;

[5] Dobref Vasile Prof. Univ. Dr. Ing., Acționări electrice navale, Ed. PIM Iași, 2017;

[6] H. Meier-Peter, Propulsion systems, Sisteme de propulsie;

[7] Habib Dallagi, Chiheb Zaoui, Samir Nejim, Modelization and Multimodel Control of Ship Electric Propulsion System, Modernizarea și controlul multimod al sistemului de propulsie electric naval;

[8] Jacek F. Gieras, Naval electric machines, Mașini electrice navale;

[9] Jan Fredrik Hansen, Alf Ka Êre a Êdnanes, Thor I. Fossen, Mathematical Modelling of Diesel-Electric Propulsion Systems for Marine Vessels, 2001, Vol. 7, No. 1, pp. 1-33;

[10] Jonathan Gilliom, Simulation and performance of a high frequency cycloconverter, Simulare și performanțe ale cicloconvertoarelor de înaltă frecvență, Naval Postgraduate School, Monterey, California, Calhoun, 2006;

[11] Lena Bergh, Ulrika Helldén, Electrical systems in pod propulsion, Sisteme electrice în propulsia pod, Göteborg, Sweden, 2007;

[12] Marcelo Vasquez, Jorge Pontt, Victor Arredondo, Cycloconverter Interharmonics Current Analysis Under Unbalanced Load Based on a Real-Time Simulation, Analiza interarmonicilor de curent ale cicloconvertorului cu sarcină dezechilibrată cu simulare în timp real, Electronics Engineering Department Universidad Tecnica Federico Santa Maria;

[13] Michael Raska, Diesel-Electric Submarine Modernization in Asia: The Role of Air-Independent Propulsion Systems, Modernizarea submarinelor Diesel-Electrice în Asia: Rolul sistemului independent de propulsie cu aer;

[14] Mihaela Amorăriței, Tendințe actuale în propulsia navelor moderne. Performanțe ale sistemelor de propulsie tip POD’S și AZIPOD, Vol. I – Mecanisme și Tribologie, Brașov;

[15] Mocanu Vlad, Application of synchronous generator machine utilised in renewable energy, Aplicație a generatoarelor sincrone utilizate în energia regenerabilă, Sesiune de Comunicări Științifice Studențești „CADET-NAV 2015”;

[16] Risto Pakaste, Kari Laukia, Max Wilhelmson, Jukka Kuuskoski; Experience with Azipod propulsion systems on board marine vessels, Experiența în sistemele de propulsie Azipod la bordul navelor marine, ABB Review 2, Finland, 1999;

[17] S. Tsai, Y. Liu, G.W. Chang, Modeling of nonlinear load, Modelarea sarcinii neliniare, 2008;

[18] ABB, PowerIT Synchronous Generators for Diesel and Gas Engines, Generatoare sincrone de putere pentru motoare diesel și pe gaz, ABB/Synchronous Generators GB, Finland, 2004;

[19] ABB Oy, Azipod VI Series Product Introduction, Introducere Azipod VI ca produs de serie, Helsinki Finland, 2010;

[20] ABB AC Drivers, ACS 6000c Cycloconverter, Helsinki FINLAND;

[21] American Bureau of Shipping, CONTROL OF HARMONICS IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS, Controlul armonicilor în sistemele electrice de putere, Houston, USA, 2006;

[22] Cavotec Group, MPS – Marine Propulsion Sliprings, MPS – Propulsia navală cu inele alinecătoare, Manufactured by Specimas, 2001;

[23] https://impremedia.net/synchronous-motor-diffeial-equations/;

[24] https://www.youtube.com/watch?v=TGj3ZgV_9_M;

[25] https://cruisefever.net;

[26] https://www.carnival.com;

[27] https://en.wikipedia.org/wiki/Carnival_Elation;

[28] https://www.nakashima.co.jp/eng/product/electric.html;

[29] http://www.abb.com;

[30] https://www.wartsila.com/encyclopedia/term/siemens-schottel-propulsor-(ssp);

[31] https://vlsi.etti.tuiasi.ro/sites/default/files/docs/cia/proiect/2005-2006/proiect_cia_S1.pdf;

[32] http://www.mantech.co.za/ – Arduino Mega 2560 Datasheets;

[33] http://emadrlc.blogspot.ro/2013/01/chapter-3-generator-excitation-and.html;

[34] https://www.researchgate.net.

Anexa 1 a) Parametri obținuți la frecvența de ieșire a cicloconvertorului de 50 Hz

a) Tensiuni sursă, b) Curenți sursă, c) Comparație între forma de undă a Tensiunii de sarcină și Tensiunea de referință, d) Tensiuni de sarcină, e) Curenți sarcină

Anexa 1 b) Parametri obținuți la frecvența de ieșire a cicloconvertorului de 60 Hz

a) Tensiuni sursă, b) Curenți sursă, c) Comparație între forma de undă a Tensiunii de sarcină și Tensiunea de referință, d) Tensiuni de sarcină, e) Curenți sarcină

Anexa 2 Parametri obținuți la frecvența de ieșire a cicloconvertorului de 70 Hz

a) Tensiuni sursă, b) Curenți sursă, c) Comparație între forma de undă a Tensiunii de sarcină și Tensiunea de referință, d) Tensiuni de sarcină, e) Curenți sarcină

Anexa 3 Parametri obținuți la frecvența de alimentare a motorului sincron trifazat de 50 Hz față de 60 Hz nominal

a) Viteza la pornire, b) Cuplul la pornire

Anexa 4 Parametri obținuți la frecvența de alimentare a motorului sincron trifazat de 60 Hz față de 60 Hz nominal

a) Viteza la pornire, b) Cuplul la pornire

Anexa 5 Simulare în Proteus 8 Professional: Frecvența: 41Hz, Turația: 205 rpm

Anexa 6 Simulare în Proteus 8 Professional: Frecvența: 51Hz, Turația: 255 rpm