Nava Cargou DE 8700 Tdw

CAPITOLUL I

DESCRIEREA GENERALĂ A NAVEI CARGOU DE 8700 TDW

1.1. DESCRIEREA GENERALĂ A NAVEI

Nava este destinstă pentru a transporta mărfuri generale, mărfuri în vrac (cu excepția minereurilor), cherestea sub punte sau pe punte și containere.

Navele de 8700 TDW pot fi în două variante cu două punți, cu trei și o suprastructură situată la pupa. Compartimentul mașinilor este situat la pupa.

Caracteristicile principale ale cargoului de 8700 tdw sunt:

– LOA …………………………………………………………………… 130,86 m

– lățime …………………………………………………………………… 17,7 m

– înălțime de construcție …………………………………………… 10,2 m

– pescaj ……………………………………………………………………. 8,1 m

– deplasament ……………………………………………………… 12.350 t

– deadweight ……………………………………………………… 8.650 t

– rezerve:

– combustibil greu ……………………………………… 949 t

– combustibil ușor ……………………………………… 138 t

-ulei ……………………………………………… 39,5 t

-apă tehnică ……………………………………………… 97 t

– apă potabilă ……………………………………………… 51 t

– capacitățile magaziilor pentru mărfuri în vrac:

– magazia nr. 1 ……………………………………………… 1.935 m3

– magazia nr. 2 ……………………………………………… 3.340 m3

– magazia nr. 3 ……………………………………………… 3.280 m3

– magazia nr. 4 ……………………………………………… 3.280 m3

– dimensiunile capacelor magaziilor:

– magazia nr. 1 ……………………………………………… 11,7x 6 m

– magazia nr. 2-4………………………………………….. 13,6 x 10 m

– containere: total 106 buc din care 78 buc în magazii și 28 buc pe punte

– viteza navei…………………………………………………….. 15 nd

– echipaj ……………………………………. 37 persoane + 1 pilot + 2 cadeți

Varianta cu trei magazii se deosebește în principal prin eliminarea coridoarelor, fapt ce a condus la creșterea capacității de încărcare a containerelor și a mărfurilor generale.

– dimensiunile capacelor magaziilor:

– magazia nr. 1 ……………………………………………… 12,6 x 8m

– magazia nr. 2, 3……………………………………………. 25,2 x 13 m

– containere: total 216 buc, din care 170 buc în magazii și 46 buc pe punte.

Nava a fost proiectată pentru orice tip de zonă de navigație cu o autonomie de 12.000 Mm.

Cargoul de 8.700 tdw a fost proiectat în conformitate cu regulile RNR pentru ca după construcție să poată obține clasa:

Nava este dotată cu dublu fund ce este folosit la stocarea combustibilului greu și a balastului. Pe toată lungimea navei se găsec 7 compartimente etanșe care se extind până la puntea principală împărțind nava în: afterpic, compartimentul mașini, cele 4 magazii și forpic. în interiorul magaziilor există o punte intermediară situată la 7,2 m de bază.

Compartimentul mașinii prezintă 2 platforme, prima la 5,95 m și a doua la 8,5 m de bază. Suprastructura se află situată la pupa și este constituită din 5 nivele: puntea principală, puntea intermediară, puntea de promenadă și comanda. Înălțimea primului nivel este de 2,55 m iar următoarele nivele au o înălțime de 2,5 m.

Pe puntea principală se găsește un ruf la aproximativ jumătatea navei.

Accesul de pe puntea principală în suprastructură este asigurat de uși etanșe din oțel. Accesul din coridoare spre camerele interioare se face prin uși corespondente pereților de clasă A sau B.

Gurile magaziilor sunt prevăzute cu capace compuse acționate hidraulic, camera pompelor fiind situată în ruf. Magazia 1 prezintă un capac alcătuit din 4 segmente, pe când magaziile 2 – 4 au capace compuse din 8 segmente fiecare. Capacele gurilor de magazie sunt de tipul Folding, ficare fiind alcătuit din două grupuri ce se deschid spre capetele longitudinale ale magaziei.

Nava este prevăzută cu facilități pentru transportul cerealelor în vrac și a cherestelei pe punte.

Nava este prevăzută cu o mașină a cârmei compusă din:

mașină principală hidraulică cu pistoane ( 32 tm);

sisteme de acționare a cârmei;

cârmă cu o suprafață de aprox. 16,5 m2

Sistemul de ancoraj este constituit din:

3 ancore de 3.500 kg;

2 lanțuri de ancoră de 52 mm cu lungimea totală de 522,5 m;

1 vinci electric cu 2 tamburi pentru manevrarea lanțului și 2 tamburi pentru manevrarea parâmelor.

Nava este echipată cu 4 cranice de 5 / 3,2 tf cu o deschidere de 4,5/14 m. Cranicele sunt așezate pe piloni între magazii și dispuse astfel încât să fie posibil lucrul simultan cu două cranice la magaziile 2, 3 și 4. Pe timpul voiajului brațele macaralelor sunt așezate pe suporți iar cârligele sunt agățate de puntea principală în puncte special amenajate.

Sistemul de salvare este constituit din:

1 barcă de salvare cu motor pentru 44 persoane;

1 barcă de salvare de urgență pentru 44 persoane;

4 plute de salvare pentru 20 persoane;

1 plută de salvare pentru 12 persoane situată la tribord;

46 de veste de salvare;

2 gruie electrohidraulice.

Nava este prevăzută de asemenea cu un sistem de balastare ce permite umplerea tancurilor de balast gravitațional sau cu ajutorul unei pompe de 100 m3/h, dublată de o pompă de santină. În dotarea navei intră de asemenea un sistem de stingere a incendiilor cu apă, acționat de o pompă cu un debit de 90 m3/h și o pompă de urgență de 80 m3/h, un sistem cu CO2 compus din 63 de butelii a 30 Kg fiecare și un sistem de stingere cu abur.

Elicea este acționată de către un motor Diesel reversibil în 2 timpi, cu supraalimentare, funcționând cu combustibil greu (3.500 SRI la 38°C) pe timp de marș și cu combustibil ușor în timpul manevrelor.

Motorul are o putere constantă de 6.150 CP la 157 rpm cu un consum de 136g/CP.h.

Mișcarea este transmisă de la motor către un ax ce acționează o elice cu un diametru de 4,5 m.

Energia electrică necesară la bord este asigurată de către:

3 generatoare Diesel principale de 330 KVA cu o tensiune de 390 V la 50 Hz;

1 generator Diesel de avarie de 130 KVA;

1 generator Diesel de staționare generând 70 KVA cu o tensiune de 400 V la 50 Hz.

1.2. COMPARTIMENTAJUL NAVEI

1.3. STRUCTURA ȘI CLASIFICAREA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE NAVALE, SCHEME STRUCTURALE ALE CENTRALELOR ELECTRICE NAVALE, CONDIȚII DE EXPLOATARE A SISTEMELOR ELECTROENERGETICE NAVALE

1.3.1. Structura și clasificarea S.E.N.

Sistemul electroenergetic naval (SEN) cuprinde totalitatea instalațiilor și echipamentelor electrice de la bordul navei destinate pentru producerea, transformarea și distribuția energiei electrice destinată alimentării cu energie electrică de la bordul navei.

Structura SEN conține: surse de energie electrică, linii de transport a energiei electrice, tablouri de distribuție și convertizori de energie electrică.

Consumatorii de energie electrică nu fac parte din SEN, aceștia au particularități specifice și sunt tratați separat.

Pe nave, în calitate de surse de energie electrică, se folosesc generatoarele de curent continuu și de curent alternativ acționate de motoare diesel sau turbine precum și bateriile de acumulatoare. Liniile de transport a energiei electrice se realizează cu cabluri electrice sau cu bare conductoare. Tablourile de distribuție reprezintă construcții destinate pentru conectarea liniilor de transport a energiei electrice în vederea distribuirii acesteia la mai mulți consumatori. În calitate de convertizori se folosesc transformatoarele, redresoarele ș.a

Tabloul de distribuție la care sunt cuplate sursele de energie electrică și rețelele electrice de putere, se numește tabloul principal de distribuție, TPD.

Sursele de energie electrică împreună cu tabloul principal de distribuție formează centrala electrică a navei.

Liniile de transport a energiei electrice împreună cu tablourile de distribuție constituie rețeaua electrică a navei.

Clasificarea SEN se face, în general, după trei criterii:

După numărul centralelor electrice care compun SEN;

În funcție de legătura dintre SEN și sistemul energetic de putere destinat pentru a propulsia navei;

În funcție de sistemul de distribuție al energiei electrice.

După primul criteriu SEN pot fi: cu una, cu două, cu trei și mai multe centrale electrice; după al doilea criteriu, SEN pot fi: autonome, cu preluarea parțială a puterii de la sistemul energetic principal și unitare cu sistemul energetic principal; după al treilea criteriu, sistemul de distribuție poate fi : radial, magistral sau mixt

SEN autonome sunt independente de sistemul energetic al navei și dispun de surse separate de energie electrică, diesel generatoare sau turbogeneratoare, tabloul principal de distribuție, tablouri de distribuție, transformatoare, redresoare, tablou de legătură cu malul și linii de distribuție a energiei electrice. După primul criteriu de clasificare SEN autonome pot fi cu una, cu două, cu trei și mai multe centrale electrice. În figura 1.1. sunt prezentate trei variante.

Fig. 1.1. Schema electrică structurală a SEN autonome a – cu o singură centrală electrică de bază; b – cu două centrale electrice de bază; c – cu o centrală electrică de bază și cu o centrală electrică de avarie. T /D – turbină sau diesel;Gl+G6 – generatoare; TPD, TPD1, TPD2 -tablouri principale de distribuție; TDUTD4 – tablouri de distribuție; TLM – tablou de legătură cu malul; TDA – tablou de distribuție de avarie; GA – generator de avarie; C – consumatori de energie electrică.

SEN cu o singură centrală electrică de bază se folosește, de regulă, pe nave mici de transport care navigă pe ape interioare sau în apropierea coastei.

Pe nave mari de transport, de pasageri, spărgătoare de gheață sau nave militare, se folosește SEN cu două centrale electrice de bază dispuse în compartimente separate. O asemenea variantă, prezentată în figura 1.1.b, răspunde mai bine cerințelor de vitalitate ale navei prin mărirea siguranței în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor. Cele două centrale electrice de bază sunt interconectate prin linii de transmisie a energiei electrice, existând posibilitatea transmiterii acesteia în ambele sensuri. În acest fel, în cazul transmiterii unui consum redus, este posibil ca acesta să fie asigurat de funcționarea unei singure centrale.

Varianta cu două centrale electrice de bază este mai complicată și mai scumpă. Această variantă este justificată pentru nave mai mari la care puterea electrică necesară alimentării consumatoriloreste mare și pentru acoperirea acesteia sunt necesare mai multe grupuri diesel generatoare. Repartizarea puterii electrice totale pe două centrale conduce la micșorarea valorii curenților de scurtcircuit sub valorile admise de puterea de rupere a întrerupătoarelor automate. De exemplu, pentru o centrală electrică cu puterea 3000KW și tensiunea 400 V, intensitățile curenților de scurtcircuit pot ajunga la valori 100 – 200 kA, ceea ce corespunde limitei maxime a puterii de rupere pentru întrerupătoarele automate folosite în prezent. În astfel de cazuri, rezolvarea constă în împărțirea a două rânduri de bare pe care se repartizează egal grupurile diesel generatoare.

SEN este complet autonom, dacă în compunerea sa intră numai diesel generatoare. În cazul în carese folosesc turbogeneratoare este necesar ca împreună cu acestea să se instaleze și diesel generatoare folosite ca rezervă sau pentru regimul de staționare, întrucât turbogeneratoarele cu turbină cu abur pot funcționa numai în marș, atunci când este în funcțiune caldarina. În același timp, turbogeneratoarele necesită mai mult timp de pregătire pentru intrarea în funcțiune și încărcarea în sarcină, comparativ cu diesel generatoarele. Indiferent de numărul centralelor electrice de bază conform regulilor registrului de clasificare pe navele mari de transport și ale flotei tehnice trebuie să existe și o centrală electrică de avarie (figura 1.1.c). Centrala electrică de avarie este conectată cu una din centralele electrice de bază și în regimul normal energia electrică se transmite de la centrala electrică de bază la tabloul de distribuție de avarie TDA al centralei electrice de avarie. La dispariția tensiunii de la barele centralei electrice de bază se dă semnalul pentru pornirea automată a diesel generatorului de avrie și se conectează această sursă la barele TDA. În acest fel, se asigură alimentarea neîntreruptă a consumatorilor conectați la centrala electrică de avarie, care sunt importanți pentru siguranța navei. Centrala electrică de avarie se dispune pe navă în afara zonei inundabile, adică deasupra punții principale.

De asemenea, SEN conține, în toate cazurile, un tablou de legătură cu malul, TLM, prin intermediul căruia se realizează primirea energiei electrice de la mal atunci când nava staționează în port, la dană. În unele situații, prin același tablou se poate transmite energie electrică de la bordul navei la rețeaua electrică de la mal sau la o altă navă.

SEN cu preluarea parțială a puterii de la sistemul energetic de putere folosește o parte din puterea turbinelor sau dieselelor care aparțin sistemului energetic principal de propulsie al navei pentru antrenarea unuia sau mai multor generatoare electrice. Preluarea parțială a puterii de la sistemul energetic se poate realiza în două variante prezentate în figura 1.2., astfel:

Fig. 1.2. Schemele electrice structurale ale SEN cu preluarea parțială a puterii de la sistemul energetica – cu generator de ax; b – cu utilizarea turbogeneratorului

folosirea generatoarelor de ax, Gax antrenate printr-un mecanism de transmisie de axul portelice.

Utilizarea căldurii gazelor de evacuare de la motorul principal, MP, pentru funcționarea unei caldarine recuperatoare, CR, care asigură aburul necesar funcționării unui turbogenerator de recuperare.

Prima varinată se poate folosi atât la nave cu propulsie diesel, cât și la cele cu propulsie cu turbină cu abur, cea de-a doua variantă se poate aplica numai la nave cu propulsie diesel.

Aplicarea sistemelor prezentate este oportună la nave care navigă timp îndelungat cu viteză constantă sau cu variații mici ale vitezei (în limitele de la “toată viteza” la “jumătate”). În astfel de cazuri, folosirea generatoarelor de ax sau turbogeneratoarelor de recuperare oferă posibilitatea scurtării duratei de funcționare a susrselor autonome de energie electrică (diesel generatoare sau turbogeneratoare) și micșorează costul energiei electrice. De asemenea, folosirea generatoarelor de ax permite reducerea numărului surselor autonome și micșorează prețul de cost al energiei electrice. Utilizarea turbogeneratoarelor de recuperare necesită instalații cosstisitoare care se amortizează în timp îndelungat ( în decurs de câțiva ani) pe seama reducerii cheltuielilor de exploatare.

Principalul neajuns al sistemului cu preluarea parțială a puterii îl constituie dependența acesteia de viteza navei. La folosirea generatorului de ax, schimbarea vitezei navei, adică schimbarea vitezele de rotație a arborelui portelice, înseamnă schimbarea vitezei de rotație a generatorului și are ca rezultat modificarea parametrilor tensiune și frecvență ai generatorului de ax care se micșorează de la valoarea nominală corespunzătoare mersului cu “toată viteza” până la anulare la puerea motorului principal în poziția “stop”.

Acest regim de funcționare al generatorului de ax face, pe de o parte, imposibilă funcționarea acesteia în parallel cu generatoarele autonome, iar pe de altă parte, atunci când motorul principal se pune în poziția “stop” este necesar să se asigure conectarea rapidă a sursei de energie electrică de rezervă.

Stabilizarea parametrilor de ieșire ai generatorului de ax și crearea condițiilor de funcționare în paralele se poate obține prin folosirea unor convertizori speciali de energie electrică sau instalații care să asigure turația constantă a generatoarelor atunci când turația arborelui portelice se modifică.

Utilizarea turbogeneratoarelor de recuperare asigură menținerea stabilă a parametrilor de ieșire ai generatorului și deci pemite funcționarea în parallel cu generatoarele autonome. Stabilitatea parametrilor de ieșire este dată de inerția sistemului termic și de posibilitatea reglării consumului de abur. După punerea mașinii în poziția “stop” sistemul poate continua să funcționeze circa 5 – 20 minute.

În prezent, SEN cu generatoare de ax cunosc o largă răspândire la nave care folosesc pentru propulsie elici cu pale orientabile și ca urmare turația motoarelor principale se menține constantă pentru toate regimurile de marș. Din această categorie fac parte unele vase fluviale, câteva nave de transport și nave tehnice.

De asemenea, folosirea generatoarelor de ax este oportună pe naave cu propulsie electrică. Utilizarea generatoarelor de ax și turbogeneratoarelor cu recuperare a căpătat în prezent o largă răspândire datorită avantajelor prezentate de acest sistem.

SEN unitar cuprinde totalitatea surselor de energie electrică, tablourile de distribuție a energiei electrice și, de asemenea, motoarele electrice de acționare a axelor portelice împreună cu aparatele de pornire și comandă ale acestora. Structura unui asemenea sistem este prezentată în figură 1.3.

SEN unitar se folosește la macaralele plutioare, drăgi cu cupe pentru șpata pe fondul mării și alte nave ale flotei tehnice la care în perioada de staționare puterea surselor de energie este folosită în principal pentru asigurarea acționării utilajelor tehnologice, iar pentru deplasare se folosește o parte din această putere. SEN unitar se utilizează, de asemenea, la unele nave spărgătoare de gheață, industriale și alte tipuri de nave la cae există compatibilitatea între cerințele corespunzătoare propulsiei electrice și SEN autonome.

TPD

Fig. 1.3. Schema electrică structurală a SEN unitar PC — post de comanda pornirii și reglării turației (convertizori); Ml, M2 – motoare electrice pentru acționarea axelor portelice.

În acest sens propulsia cu elice cu pas reglabil oferă condiții favorabile, întrucât motoarele electrice de propulsie funcționează cu tutație constantă și ca urmare se pot menține constanți parametrii tensiune, frecvență ai surselor de energie electrică, ceea ce permite alimentarea concomitentă și celorlalte consumatori de energie electrică de la bordul navei.

1.3.2. Condiții de exploatare a S.E.N.

Condițiile de exploatare sunt definite de totalitatea mărimilor fiizce constituite de factorii externi care acționează asupra funcționării sistemului și părților lui componente. Condițiile de exploatare pentru SEN sunt caracterizate de acțiunea următorilor factori:

oscilații de ruliu și tangaj;

vibrații ale corpului navei produse în principal de funcționarea elicelor, precum și a motoarelor de la bord;

șocuri create de loviturile valurilor, ghețuri sau alte obiecte;

valori înalte ale umidității relative și temperaturii aerului;

prezența vaporilor de produse petroliere;

stropi de apă, acoperirea cu gheață și radiații solare;

Influența acestor factori externi trebyuie avută în vedere la realizarea SEN și componentelor sale (mașini electrice, aparate electrice, cabluri ș.a.). Pentru a lucra în aceste condiții de exploatare, echipamentele electrice navale se construiesc special pentru această destinație. În toate țările, construcțiile navale, tehnica carese montează la bord și supravegherea exploatării se realizează după regulile unui registru de clasificare. În România, Registrul Naval Român (RNR) reprezintă organul de stat pentru clasificarea navelor. În practică se folosesc și registrele altor ări. În general, pentru că se referă la nave care sunt exploatate în aceleași condiții, între registrele de clasificare ale diferitelor țări nu sunt deosebiri semnificative.

Conform normelor RNR, instalațiile, mașinile și sistemele care compun SEN trebuie să fie astfel realizate încât să se asigure funcționarea normală a acestora în următoarele condiții de exploatare:

umiditatea relativă a aerului 75% la temperature de 45C,sau 80% la 40C, sau 95% la 25C;

bandă permanentă în orice bord până la 15 și asietă de durată până la 5;

ruliu până la 22,5 cu perioada 7 – 9 secunde și tangaj până la 10;

vibrații cu frecvențe de la 2 Hz la 13,2 Hz cu amplitudinea deplasării 1 mm, iar la frecvențe de la 13,2 Hz la 80 Hz cu accelerația 0,7g;

șocuri cu accelerația 3g și frecvente de la 40 la 80 de lovituri pe minut;

schimbarea temperaturii mediului înconjurător, în cazul navigației în raioane nelimitate, de la -50C la +50C;

prezența sării în apa e mare (până la 4%) și în aerul maritime (până la 6 mg/m3);

prezența vaporilor de ulei și alte produse petroliere în încăperile navei, de la 5 la 20 mg/m3.

1.3.3. Cerințe privind calitatea energiei electrice

Indicatorii după care se apreciază calitatea energiei electrice furnizată de SEN sunt;

1.Abaterea permanentă a tensiunii față de valoarea normală ΔUp. Se exprimă ca diferență între tensiunea reală furnizată, U, și valoarea ei nominală, Un, raportată la tensiunea nominală și exprimată în procente.

(1.1)

2. Abaterea permanentă a frecvenței, Δfp, față de valoarea nominală, fn, raportată la frecvența nominală și exprimată în procente

(1.2)

3. Coeficientul de nesimetrie al tensiunii pentru frecvența de bază în current alternative trifazat. Exprimă în procente diferența dintre valoarea maximă, Umax, și minimă, Umin, a tensiunii raportată la valoarea nominală Un.

(1.3)

4. Factorul de distorsiune, exprimă abaterea de la unda sinusoidală a tensiunii și se definește ca fiind raportul, exprimat în procente, dintre rezidul deformant (valoarea efectivă corespunzătoare armonicelor superioare) și valoarea efectivă a fundamentatei.

(1.4)

5. Abaterea de scurtă durată a tensiunii, ΔUsd, definită ca diferența între valoarea minimă, Umin, în regim tranzitoriu, raportate la tensiunea nominală și exprimate în procente.

(1.5)

(1.6)

6. Abaterea de scurtă durată a frecvenței în curent alternativ, Δfsd, definită ca diferența între valorile minimă sau maximă ale frecvenței în regim tranzitoriu raportate la frecvența nominală și exprimate în procente.

(1.7)

(1.8)

7. Coeficientul de pulsație al tensiunii redresate definit ca:

a) raportul între amplitudinile armonicilor joase ale componentelor de current alternative, Uμ, și valoarea medie a tensiunii redresate, Umed.

(1.9)

b) raportul între diferența valorilor instantanee maximă și minimă ale tensiunii redresate pe o semiperioadă și valoare medie a tensiunii redresate, exprimat în procente.

(1.10)

c) raportul între valoarea efectivă a componentelor de current alternative (se iau în calcul toate componentele armonici), U-d, și valoarea medie a tensiunii redresate.

(1.11)

d) raportul între diferența valorilor instantanee maximă și minimă ale tensiunii redresate și suma acestora calculate pe o semiperioadă și exprimat în procente.

(1.12)

Dintre indicatorii de calitate ai energiei electrice, prezintă importanță practică mai deosebită, următorii: abaterea tensiunii și frecvenței, nesimetria tensiunilor și abaterea de la forma sinusoidală.

Abaterea tensiunii și frecvenței în raport cu valorile nominale poate fi pozitivă sau negativă. În regimul permanent sau de scurtă durată al SEN, semnul abaterii frecvenței poate fi diferit de cel al tensiunii. La stabilirea regimului permanent abaterea frecvenței este abaterea tensiunii pentru consumatorii din apropierea tabloului principal de distribuție, TPD, este cu semnul plus, iar pentru cei mai îndepărtați cu semnul minus.

Scăderea tensiunii la bornele mașinilor electrice conduce la micșorarea momentelor de rotație și pentru o sarcină constantă crește valoarea curentului care poate ajungă la valori pentru care, sub acțiunea protecției de suprasarcină, motorul este deconectat. De asemenea, la scăderea tensiunii se micșorează iluminatul lămpilor, iar la creșterea tensiunii se reduce durata de funcționare a acestora.

Scăderea frecvenței tensiunii de alimentare a motoarelor asincrone duce la reducerea frecvenței și, ca urmare, a productivității mecanismelor antrenate de acestea. La micșorarea frecvenței cresc valorile curenților spre consumatori pe seama măririi curenților de magnetizare ai transformatoarelor și micșorării reactanțelor inductive în circuitele interioare din compunerea acestora.

Pentru obținerea unei calități corespunzătoare a energiei electrice, conform regsitrului de clasificare RNR, limitele maxime admise ale abaterilor tensiunii și frecvenței sunt:

abaterea permanentă și de scurtă durată a tensiunii

+20% timp de 1,5 secunde

ΔUp=10%; ΔUsd = (1.13)

-30% timp de 5 secunde

abaterea permanentă și de scurtă durată a frecvenței

Δfp=5%; Δfsd= 10% timp de 5 secunde (1.14)

Nesimetria tensiunilor în sistemele trifazate este cauzată în principal de conectarea la SEN a consumatorilor monofazați și apare ca urmare a valorilor inegale a curenților pe cele trei faze. Consumatorii trifazați simetrici, care constituie majoritatea la bordul navei, contribuie la reducerea nesimetriei tensiunilor.

Forma nesimertică a tensiunilor conduce la apariția în SEN și la consumatori a componentelor armonice cu frecvențe mai mari de 50 Hz a căror prezență mărește piederile de putere și duce la încălzirea suplimentră a cablurilor, motoarelor și generatoarelor electrice.

Indicele de calitate corespunzător pentru nesimetria tensiunilor se obține din condiția Registrului de clasificare care admite nesimetria curenților de sarcină ai generatoarelor de maximum 10%. Corespunzător acestor valori coeficientul de nesimetrie al tensiunii, knesimU , este aproximativ 3%.

Abaterea de la forma sinusoidală poate fi generată de factori interni, care aparțin generatoarelor, sau externi produși de consumatori de energie electrică. De regulă, influența factorilor interni este redusă și nesimetria tensiunilor datoarată acestora nu depășește 25%. În același timp, în anumite situații, la funcționarea generatoarelor cu încărcarea nominală se poate ajunga la o valoare a nesimetriei tensiunilor pănâ la 20%, generată în principal de sarcinile neliniare care constituie factorii externi. Atunci când la bornele unu generator de tensiune sinusoidală sunt conectate rezistențe neliniare, curentul consumat este de formă nesinusoidală și căderile de tensiune ale armonicelor superioare ale curentului schimbă forma curbei tensiunii în sistem.

Dintre consumatorii de la bordul navei, convertoarele statice de energie electrică solicită din rețea curenți nesinusoidali și constituie principala sarcină neliniară a rețelei. Denaturarea tensiunii produsă de convertoarele statice de energie depinde de schema folosită, de adâncimea reglării, de caracterul sarcinii, de parametrii surselor de energie electrică de pe navă și, de asemenea, de raportul dintre puterea surselor navei și puterea convertoarelor statice din sistem.

Abaterea de la forma sinusoidală mai mare de 10% poate produce încălzirea suplimentară a generatoarelor și electromotoarelor și, ca urmare, este necesară scăderea puterii și a sarcinii. De asemenea, denaturarea tensiunilor micșorează precizia în funcționare a sistemelor automate de reglare și comandă a generatoarelor ceea ce poate duce la perturbarea funcționării acestora.

Din aceste considerente, conform normelor registrului de clasificare, abaterea de la forma sinusoidală nu trebuia să depășească 5% din valoarea de vârf a fundamentalei.

Normele de calitate a energiei electrice stabilite de Registrul naval prevăd cerințe atât pentru sursele de energie electrică cât și pentru consumatorii de energie electrică. Aceste norme determină pe de o parte condițiile în care consumatorii trebuie să funcționeze normal, iar pe de altă parte cerințe pentru SEN ca sistem de producere a energiei electrice capabil să asigure alimentarea consumatorilor în toate regimurile de exploatare ale navei.

a) Cerințe pentru generatoare:

– asigurarea calității normale a energiei electrice în regim de mers în gol și în regim stabil de durată cu sarcină simetrică constantă și la factorul de putere nominal;

– acțiunea rapidă a sistemelor de reglare automată pentru a restabili în timp scurt parametrii energiei electrice în limitele stabilite de norme atunci când apar variații de sarcină, nesimetrii, abateri de la forma sinusoidală și pulsații ale curentului de sarcină.

b) Cerințe pentru consumatori:

– funcționarea normală a acestora în condițiile în care parametrii energiei electrice aplicată la borne sunt în limitele normelor de calitate;

– micșorarea influenței consumatorilor la deteriorarea calității energiei electrice, reducerea nesimetriei, reducerea abaterilor de la forma sinusoidală și a pulsațiilor curenților consumați.

1.3.4. Parametrii de bază ai centralelor electrice

Alegerea felului curentului

Nava reprezintă o construcție autonomă care are un sistem electroenergetic propriu și, ca urmare, din faza inițială a proiectării trebuie să se rezolve problema alegerii felului curentului care poate fi: curent continuu sau curent alternativ. De alegerea felului curentului depind proprietățile și particularitățile sistemului electroenergetic. O alegere corectă a felului curentului pentru o navă dată se face pe baza comparării tehnico-economice a efectelor folosirii curentului continuu sau curentului alternativ.

Istoria construcțiilor navale arată că la început pentru electrificarea navelor s-a folosi cu preponderență curentul continuu. Explicația constă în aceea că generatoarele de curent continuu prezintă siguranță mare în funcționare și stabilitate la funcționarea în paralel, comparativ cu generatoarele sincrone, care la acea vreme, în absența unor sisteme automate de reglare cu acțiune rapidă, nu ofereau siguranța menținerii constante a parametrilor: tensiune, frecvență, în condițiile unui grafic de sarcină variabil și, de asemenea, era dificil de realizat funcționarea stabilă în paralel a acestora. Pe de altă parte, acționările electrice în curent continuu oferă performanțe superioare din punct de vedere al proprietăților de pornire, frânare, reglare a vitezei, comparativ cu acționările electrice în curent alternativ din acea vreme.

După cum este cunoscut, instalațiile electrice aflate la bordul navei lucrează în condiții grele: umiditate mare, salinitate, prezența vaporilor de apă și ulei, vibrații provocate de motoarele principale și elice, șocuri produse de loviturile valurilor și sloiurilor de gheață, înclinare de lungă durată în oricare bord ș.a.

Condițiile grele de lucru impun cerințe deosebite pentru motoarele electrice de acționare folosite la nave în ceea ce privește: siguranța în funcționare, simplitatea constructivă, rezistență la acțiunea mediului, ușurință în întreținere și exploatare.

Motorul de curent continuu are dispus pe rotor înfășurarea legată la lamelele colectorului. Energia electrică a rețelei se aplică acestei înfășurări prin periile care alunecă pe suprafața colectorului. Acest procedeu de transmitere a energiei duce la uzura în timp a periilor și colectorului, îmbâcsirea cu praf de cărbune, ceea ce face necesară o supraveghere atentă și executarea unor lucrări periodice de întreținere.

Din experiența exploatării mașinilor de curent continuu rezultă că defecțiunile la colector și perii reprezintă circa 40% din totalul defecțiunilor acestor electromotoare. De asemenea, existența unor părți deschise conductoare de curent (colectorul și periile) mărește gradul de pericol și constituie sursa principală de paraziți radio în rețeaua de distribuție a energiei electrice.

La navă, principalii consumatori de energie electrică sunt acționările electrice ale mecanismelor și instalațiilor de bord. Fiecare acționare electrică se compune din motorul electric și sistemul de comandă.

O dată cu creșterea gradului de electrificare al navelor s-a mărit considerabil numărul mecanismelor acționate cu motoare electrice, a crescut puterea centralelor electrice și au început să se manifeste neajunsurile proprii acționărilor electrice în curent continuu.

În curent continuu, în calitatea de motor de execuție, se folosește de regulă motorul electric cu excitație mixtă și mai rar cele cu excitație derivație sau independentă. în curent alternativ motorul electric cu utilizarea cea mai mare este motorul asincron cu rotor în scurtcircuit și mai rar se folosesc motorul asincron cu rotor bobinat (fazic) și motorul sincron.

Spre deosebire de motorul de curent continuu, motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit are o construcție cu mult mai simplă, ceea ce îi conferă o siguranță sporită în funcționare. Comparativ cu motorul asincron, prezența colectorului și a periilor la motoarele de curent continuu conduce la creșterea masei cu circa 30-40%, a gabaritelor cu 20-30% și a prețului de cost de circa 2-3 ori. De asemenea, randamentul motoarelor de curent continuu este cu câteva procente inferior randamentului motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit.

Treptat, avantajele folosirii curentului alternativ au devenit tot mai evidente și numărul navelor electrificate în curent alternativ trifazat a crescut menținându-se pentru o anumită perioadă și construcția navelor electrificate în curent continuu. Un exemplu îl constituie seria de cargouri de 4500 tdw realizată în anii '70 și electrificată în curent continuu.

Trecerea la folosirea curentului alternativ a fost impulsionată de perfecționarea sistemelor automate de reglare pentru generatoarele sincrone, ceea ce a determinat îmbunătățirea performanțelor acestora în ceea ce privește menținerea constantă a parametrilor: tensiune, frecvență, la variația sarcinii și funcționarea stabilă a acestora la cuplarea în paralel, precum și de apariția a noi tipuri de motoare asincrone cu performanțe superioare.

În ceea ce privește aparatura de comandă a motoarelor electrice și în acest caz avantajele sunt de partea curentului alternativ, întrucât aparatura de comandă a acționărilor electrice în curent alternativ este mai simplă și mai sigură în funcționare. De exemplu, pentru motoare electrice care nu necesită reglarea turației comanda motorului asincron se face cu un pornitor magnetic realizat simplu cu un contactor și relee termice, iar pentru un motor de curent continuu se folosește un reostat de pornire în care se include contactorul și releul de curent.

Sistemul de distribuție a energiei electrice, în ceea ce privește masa și gabaritele cablurilor, este cu câteva procente mai mare în curent alternativ, comparativ cu curentul continuu, deoarece folosește cabluri cu trei 'conductoare în locul celor cu două conductoare. Avantajul distribuției energiei electrice în curent alternativ constă în faptul că oferă posibilitatea separării rețelei de iluminat de rețeaua de forță prin alimentarea acesteia de la un transformator cu raportul de transformare de 380 V /220 V. Scăderea rezistenței de izolație care se manifestă preponderent în rețeaua de iluminat, în acest caz, nu influențează nemijlocit asupra stării generale a izolației rețelei navei, în curent continuu, separarea rețelei de iluminat nu este posibilă și scăderea rezistenței de izolație a acesteia afectează rezistența de izolație a întregii rețele de distribuție a energiei electrice pe navă.

în privința posibilităților de reglare a turației, pentru cele două tipuri de motoare, acestea rezultă din expresiile turațiilor în funcție de ceilalți parametrii ai motoarelor și rețelelor electrice de alimentare.

Pentru motorul de curent continuu :

(1.15)

în care:

U – tensiunea rețelei de alimentare, V

I – curentul în înfășurarea rotorului, A

R – rezistența înfășurării rotorului înseriată cu rezistența reostatului, Ω

Ke– constantă care depinde de datele constructive ale motorului

Φ – fluxul câmpului magnetic creat de înfășurarea de excitație, Wb.

Din relația (1.15) rezultă că turația motorului de curent continuu se poate regla prin: modificarea rezistenței R cu ajutorul reostatului montat în serie cu înfășurarea rotorului; modificarea fluxului Φ cu reostatul montat în circuitul înfășurării de excitație și prin modificarea tensiunii U a sursei de alimentare în sistemul generator-motor sau redresor comandabil-motor. De asemenea, se folosește uneori reglarea combinată prin modificarea a doi parametrii ceea ce dă posibilitatea reglării turației în domeniu larg, în gama 1000 : 1 și mai mare.

Pentru motorul asincron:

(1.16)

în care: f – frecvența rețelei de alimentare, Hz

p – numărul perechilor de poli

s – alunecarea rotorului.

Turația motoarelor asincrone, conform relației (1.16) se poate regla prin modificarea frecvenței, a numărului de poli sau a alunecării s (alunecarea se poate modifica prin introducerea unor rezistențe în circuitul rotorului, procedeu posibil numai pentru motoarele asincrone cu rotor bobinat).

În practică, toate aceste procedee sunt limitate. Schimbarea frecvenței corelată cu modificarea tensiunii pentru a menține valoarea cuplului este posibilă numai în cazul folosirii unei surse separate pentru alimentarea motorului asincron (generator sincron separat sau convertoare de frecvență). Procedeul este eficient din punct de vedere economic pentru puteri mari și se aplică la propulsia electrică a navei cu motor asincron sau sincron. Reglarea prin schimbarea numărului de perechi de poli este aplicată numai la motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit prin așezarea pe stator a mai multor înfășurări cu număr de poli diferiți sau a unor înfășurări comutabile. Asemenea motoare se numesc motoare cu mai multe viteze și asigură reglarea turației în trepte cu raportul 2 : 1; 3 : 1; 4 : 1 ș.a.

Analiza comparativă a celor două tipuri de motoare din punct de vedere al posibilităților de reglare a vitezei arată că în acest domeniu motoarele de curent continuu au proprietăți mai bune.

Experiența proiectării navelor arată că cea mai mare parte a acționărilor electrice instalate pe navă nu necesită reglarea turației, cum ar fi: pompele, separatoarele, ventilatoarele, compresoarele ș.a. O parte mică a acționărilor electrice poate fi realizată cu reglarea în trepte a turației, ca de exemplu: cabestanul (vinciul^ de ancoră, cabestane (vinciuri) de manevră, vinciuri de încărcare, macarale de 3-5 t., unele ventilatoare. Pentru toate aceste acționări se poate folosi cu rezultate foarte bune motorul asincron cu rotor în scurtcircuit cu turație fixă sau cu turație reglabilă în trepte. O parte foarte mică a acționărilor electrice necesită reglarea turației lină și în domeniu larg, cum ar fi: traulere pentru nave de pescuit, vinciuri de remorcare, macarale de capacitate mare.

Această prezentare justifică folosirea sistemului clectroenergetic trifazat pe majoritatea navelor. Pentru cele câteva acționări care necesită reglarea turației lină și în domeniu larg se folosește motorul de curent continuu alimentat în sistemul generator-motor sau redresor comandabil-motor. O altă variantă pentru asemenea acționări cu reglarea lină a turației și în domeniul larg o reprezintă transmisiile hidraulice care au atins un nivel înalt de perfecționare (macarale de mare capacitate, acționarea cârmei ș.a.).

În acest fel, treptat, au fost înlăturate obstacolele din calea folosirii curentului alternativ pe nave și astăzi problema alegerii felului curentului pentru nave a fost rezolvată în favoarea folosirii curentului alternativ.

Folosirea curentului continuu rămâne oportună pe nave unde în calitate de sursă de energie de bază se folosesc acumulatorii. Din această categorie fac parte, în principal, submarinele clasice cu propulsie diesel electrică și unele nave mici pentru care puterea sistemului electroenergetic nu depășește câțiva kilowați.

În unele cazuri, se folosesc două feluri de curent. O parte din consumatori primesc alimentarea de la rețeaua de curent continuu, iar o altă parte din consumatori primesc alimentarea de la rețeaua de curent alternativ. O asemenea situație se poate întâlni la nave de construcție mai veche care au fost electrificate inițial în curent continuu și ulterior prin modernizările la care au fost supuse s-au introdus la bord consumatori de curent alternativ.

În perspectiva legată de utilizarea unor noi surse de energie, fără utilizarea motoarelor mecanice, cum ar fi generatoarele magnetogazodinamice, elemente termice, este posibil să se revină la folosirea pe scară largă a curentului continuu.

Tensiunea

Dezvoltarea construcțiilor navale este caracterizată de creșterea neîntreruptă a puterii sistemelor electroenergetice. Această creștere este determinată de: electrificarea în continuare a mecanismelor neelectrificate; mărirea numărului aparatelor de legături radio, radiolocație și aparate electrice de navigație; creșterea puterii instalațiilor de ventilație, climatizare și a altor sisteme navale; folosirea propulsiei electrice ș.a. Electrificarea navei a ajuns deja la un asemenea nivel încât dispunerea centralelor electrice, a acționărilor electrice și a traseelor de cabluri pe navă se rezolvă cu dificultate.

Creșterea în continuare a gradului de electrificare a navei ridică noi probleme privind dispunerea echipamentelor electrice la bordul navei și de aceea apare necesitatea găsirii unor căi noi de rezolvare. O primă, posibilitate constă în îmbunătățirea constructivă a mașinilor și aparatelor electrice în direcția reducerii greutății specifice pe unitatea de putere. Această cale este posibilă prin folosirea unor materiale magnetice și electroizolante cu performanțe superioare. A doua cale constă în mărirea tensiunii și frecvenței sistemelor electroenergetice.

Istoria dezvoltării electrotehnicii navale arată că mărirea puterii sistemelor electroenergetice navale, ca urmare a creșterii gradului de electrificare a navei, a condus la creșterea neîntreruptă a tensiunii nominale. La începutul electrificării s-a folosit 110 V curent continuu ajungându-se în prezent la 220 V în curent continuu și 380 /220 V în curent alternativ. Ridicarea tensiunii a permis îmbunătățirea caracteristicilor maso-gabaritice a acționărilor electrice și reducerea secțiunii cablurilor pe seama scăderii valorii curenților. Pentru o putere dată, valoarea curentului fiind invers proporțională cu valoarea tensiunii, rezultă că mărirea de două ori a tensiunii reduce de două ori valoarea curentului.

Regulile registrului de clasificare RNR stabilesc valorile maxime ale tensiunii admisibile la nave, astfel:

a) Tensiunea la bornele surselor de energie electrică de curent continuu nu trebuie să depășească valorile:

– 500 V pentru alimentarea sistemelor de putere;

– 250 V pentru alimentarea instalațiilor de iluminat,

semnalizări și prize.

b) Tensiunile recomandate la bornele consumatorilor de curent alternativ nu trebuie să depășească:

– 1000 V pentru consumatori de forță staționari;

– 500 V pentru consumatori de forță conectați la prize;

– 250 V pentru iluminat, semnalizări, comunicații interioare, prize pentru consumatorii portativi.

Pentru propulsia electrică în curent alternativ se admite depășirea tensiunii maxime de 1000 V. Valorile tensiunilor de linie admise de Registru pentru propulsia electrică pot fi: 3,3 /3 kV; 6 /6,6 kV; 10/11 kV. Cu avizul Registrului tensiunile înalte pot fi folosite și pentru unele acționări electrice de putere foarte mare, cum ar fi pompele de marfa la nave petroliere de mare capacitate.

În mod normal, pentru alimentarea rețelelor electrice de la bordul navelor se folosesc următoarele valori ale tensiunii nominale:

pentru curent continuu – 12, 24, 110, 220 V;

pentru curent alternativ – 12, 24, 36, 127, 220, 380 V.

Mărirea tensiunii de la 400 V la 1000 V, limită maximă admisă de registru, nu duce la modificări semnificative în ceea ce privește masa și gabaritele instalațiilor electrice, întrucât există două tendințe contrare: pe de o parte micșorarea curenților reduce dimensiunile și masele elementelor conductoare de curent, iar pe de altă parte ridicarea tensiunii necesită măsuri suplimentare de creștere a rezistenței de izolație.

Pentru mașinile electrice, de puteri în gama de la 200 KW la 300 KW, mărirea tensiunii de la 400 V la 1000 V duce la o creștere nesemnificativă a greutății și gabaritelor pe seama măsurilor luate pentru întărirea izolației crestăturilor și conductoarelor. Mărirea tensiunii de la 400 V la 1000 V micșorează masa aparatelor de comutație și protecție cu circa 25% și în același timp există tendința măririi masei și gabaritelor aparatelor de control și măsură.

În privința instalațiilor de distribuție a energiei electrice se poate considera că masa și gabaritele rămân aproape neschimbate la trecerea tensiunii de la 400 V la 1000 V, întrucât reducerea dimensiunilor și greutăților elementelor conductoare de curent, ca urmare a micșorării curentului este compensată de creșterea greutăților, ca urmare a măririi distanțelor odată cu mărirea tensiunii și folosirea unor transformatoare coborâtoare pentru consumatorii care nu pot funcționa la tensiuni înalte.

Efectul reducerii masei și gabaritelor prin ridicarea tensiunii se face simțit în cazul unor centrale electrice de putere mare, peste 5000 kW, care folosesc tensiunea de 3,3 kV sau 6,6 kV. În acest caz, generatoarele, întrerupătoarele automate și motoarele electrice de putere foarte mare au mase și gabarite de câteva ori mai mici comparabil cu situația folosirii tensiunii de 380 V pentru aceleași puteri. Folosirea transformatoarelor coborâtoare pentru alimentarea consumatorilor care nu pot funcționa la tensiuni înalte duce Ia împărțirea rețelei electrice în subsisteme autonome alimentate de transformatoare individuale cu efecte pozitive asupra rezistenței de izolație a rețelei de distribuție. Deteriorarea rezistenței de izolație într-un subsistem, nu efectuează restul rețelei de distribuție. De asemenea, ridicarea tensiunii la aceste valori înseamnă reducerea considerabilă a masei și gabaritelor traseelor de cabluri comparabil cu transmiterea acelorași puteri la tensiunea de 380 V. În afară de acestea, se micșorează valorile curenților de scurtcircuit în sistem și, ca urmare, se reduce pericolul apariției incendiilor în rețeaua electrică și a efectelor nedorite create de forțele electrodinamice.

Alegerea tensiunii se realizează de obicei în urma unei analize tehnico – economice care ia în considerare un complex de probleme legate de tensiunea pentru centrala electrică, rețeaua de distribuție a energiei electrice, consumatorii mari de energie electrică existenți pe navă, rețeaua de iluminat, rețeaua de comunicații, de comandă ș.a. Uneori, alegerea nivelului tensiunii poate fi influențată nu numai de masa și greutatea traseelor de cabluri ci și de alți factori cum ar fi: valorile curenților de scurtcircuit, posibilitățile aparatelor de comutare, siguranța și durata de serviciu, deservirea fără pericol, masa și gabaritele instalațiilor de distribuție ș.a.

În funcție de puterea sistemului electroenergetic pe nave, de regulă, se adoptă următoarele valori ale tensiunii: pentru puteri de câțiva kilowați se folosește tensiunea de 12 V, 24 V; la puteri de zeci de kilowați – tensiunile 110 V, 127 V; la puteri de sute de kilowați -tensiunile 220 V, 380 V; la puteri de mii și zeci de mii de kilowați -tensiunile 380 V, 3.300 V, 6.600 V, 10.0000 V.

Frecvența

Sursele de energie electrică ale sistemelor electroenergetice navale de curent alternativ, ca și în cazul sistemelor de la mal, produc energia electrică cu frecvența 50 Hz (60 Hz). Această frecvență corespunde necesităților majorității consumatorilor de energie electrică de la bordul navelor.

În același timp, pe toate navele actuale există un număr de consumatori pentru care frecvența nominală a tensiunii de alimentare este de 400 Hz, cum ar fi: sistemele de radiolocație, sistemele de navigație (girocompasul), sisteme și aparatură de cercetare și prospecțiuni (hidrolocatoare). Alimentarea acestor consumatori se face de la rețeaua navei de 50 Hz prin convertizoare corespunzătoare. în funcție de deplasamentul navei și destinația acesteia, numărul convertizoarelor poate fi de ordinul unităților sau zecilor așa încât în cazul unui număr mare de consumatori cu frecvența de 400 -500 Hz (navă militară, navă de prospecțiuni geologice și cercetare științifică) apare necesitatea centralizării alimentării acestora de la o rețea separată de rețeaua de 50 Hz și alimentată de la surse separate sau convertizori de energie electrică.

Mărirea frecvenței nominale în sistemele electroenergetice navale constituie o direcție importantă pentru rezolvarea problemei reducerii maselor și gabaritelor surselor de energie electrică și acționărilor electrice.

La frecvențe mari, 400-500 Hz, agregatele generatoare permit utilizarea motoarelor primare cu turație foarte mare, cum ar fi turbinele cu gaze, cuplate direct (fără reductor) cu generatoare sincrone.

Acționările electrice cu motoare asincrone reprezintă consumatorii de bază în sistemele electroenergetice navale. Turația sincronă a motoarelor de curent alternativ este direct proporțională cu frecvența, f, și invers proporțională cu numărul de perechi de poli, p, , și la frecvența de 50 Hz cea mai mare turație obținută pentru p=1 este , iar prin folosirea, de exemplu, a frecvenței de 400 Hz valoarea acestei turații este

Având în vedere că pentru o mașină cu mișcare de rotație puterea este proporțională cu cuplul și turația, P = M • n , rezultă că la mărirea turației de câteva ori, pentru a obține aceeași putere, valoarea cuplului se reduce de același număr de ori. Reducerea cuplului prin mărirea turației conduce la reducerea masei și gabaritului mașini.

Din motive de siguranță se consideră că limita maximă a turației la care pot funcționa mașinile rotative este de 8.000 – 12.000 rot. /min.

În ultimii ani au apărut la bordul navelor mai multe mecanisme de execuție a căror turație de lucru este 6.000 -s- 8.000 rot. /min., cum ar fi: pompe centrifuge, turbocompresoare, pompe axiale ș.a. Crearea unor asemenea mecanisme a dat posibilitatea reducerii de 3-4 ori a masei și gabaritelor acestora. Se poate spera că în viitor numărul unor asemenea mecanisme va crește.

De asemenea, ridicarea frecvenței curenților transformatoarelor, reactoarelor, amplificatoarelor magnetice și altor aparate electromagnetice este legată de micșorarea numărului de spire ale înfășurărilor și reducerea volumului circuitelor magnetice. De exemplu, prin ridicarea frecvenței de la 50 Hz la 400 Hz pentru transformatoare până la 100 kVA masa și gabaritele se reduc de 2 ÷ 4 ori.

Comparând toate elementele sistemului electromagnetic realizat în curent alternativ la frecvențele de 50 Hz și 400 Hz se deduce că pentru frecvența de 400 Hz suma maselor și gabaritelor se reduce de 2-3 ori comparativ cu frecvența de 50 Hz.

Totodată, trebuie avut în vedere că există și dezavantaje în ceea ce privește folosirea frecvențelor mari în sistemele electroenergetice navale. Mașinile electrice, transformatoarele și alte aparate electromagnetice la frecvența de 400 Hz comparativ cu frecvența de 50 Hz produc un nivel mai ridicat de zgomot și paraziți radio, au un preț de cost mai ridicat și o siguranță redusă în funcționare. Din alt punct de vedere, introducerea frecvențelor ridicate la nave întâmpină un șir de greutăți legate de necesitatea creării unor noi tipuri de mecanisme de execuție cu turație mare, noi serii de mașini electrice, de aparatură de protecție și comutație ș.a.

De aceea, în prezent, folosirea sistemelor electroenergetice de 400 Hz este oportună numai pentru nave speciale, cu aripi portante sau cu pernă de aer, la care reducerea maselor și gabaritelor prezintă o importanță deosebită.

CAPITOLUL II

ALEGEREA PARAMETRILOR ENERGIEI ELECTRICE

Instalațiile navale sunt diferite de instalațiile terestre. Ele întrunesc un număr mare de influente defavorabile. Umiditatea aerului, efectul apei de mare, temperaturile ridicate, existența materialelor inflamabile, ruliul, tangajul, trepidațiile mari, lipsa de spațiu, greutatea aparatelor si mașinilor sunt factori care trebuiesc luați in seama la alegerea și dimensionarea părților constructive.

Curentul alternativ pentru alimentarea la bord se face printr-o rețea trifazată la o frecvență de 50Hz și tensiuni impuse de cerințele la bordul navei. Tensiunile care se abat de la rețeaua de bord pot fi realizate ușor prin transformatoare, construcțiile navale în această privința fiind mult mai ușoare decât în curent continuu unde abaterea de la tensiunea de bord este posibilă numai cu ajutorul transformatoarelor rotative. Tensiunea la bornele generatorului de curent ca și tensiunile secundare ale transformatoarelor pentru rețeaua de iluminat se aleg mai înalte decât tensiunile rețelei pentru a se pune la dispoziție întreaga tensiune de rețea și elementelor consumatoare mai îndepărtate. În acest mod se ajunge la pierderi de tensiune.

Având în vedere că nava are o lungime de peste 150m generatoarele vor fi alese pentru o tensiune la borne de 400V, iar la bornele transformatoarelor de 220V.

Pentru alegerea felului de curent se ține cont de următorii factori:

a) cerințele din punct de vedere al exploatării față de reglarea turației la antrenări;

b) raportul între numărul de acționări de turație variabilă și a acționărilor de turație constanta;

c) repartizarea instalațiilor pe nava;

d) puterea centralei și puterea celui mai mare element consumator de pe nava;

e) felul iluminatului;

f) posibilitatea sau necesarul alimentării din instalații terestre.

În ultimul timp, datorită noilor posibilități de reglare a turațiilor mașinilor de curent alternativ s-a constatat alegerea mai frecventa a unui curent a cărui parte componenta din noile construcții să fie în continuă creștere.

Folosirea curentului continuu creează multe avantaje, dar și dezavantaje.

Avantaje:

– cheltuieli reduse pentru rețeaua de cabluri, mai ales când este posibilă folosirea corpului navei drept conductor de întoarcere;

– acționările și conexiunile sunt mai ușor de supravegheat;

– aparatura de măsură și control este foarte simplă;

– regimurile și reglările de tensiune ale generatoarelor se fac mult mai simplu;

comanda și reglarea turațiilor acționărilor este de asemenea mult mai simplă decât în curent alternativ.

Dezavantaje:

– necesarul de spațiu considerabil;

preț mare al mașinilor de curent continuu față de cele de curent alternativ;

– întreținerea continuă condiționată de uzura colectoarelor și periilor, arderii contactelor aparatelor de comandă din cauza formării mai intense de scântei.

Pentru o exploatare navală cât mai economică s-a urmărit reducerea cheltuielilor de întreținere care s-a realizat prin trecerea la motoare de curent alternativ cu rotor în colivie, lipsite de pretenții, ușoare și ieftine. Aceste motoare pun însă probleme prin faptul că regimurile de pornire sunt mult mai ridicate decât regimurile impuse de motoarele de curent continuu. In calculul centralei trebuie să se acorde o toleranță de către producător de ±20%. În instalațiile de bord este absolut posibil ca cel mai mare consumator să folosească 40% sau mai mult din puterea unui generator. Deci comanda turației și regimul tensiunilor de conectare directă sunt factori dezavantajoși ai folosirii curentului alternativ.

2.1. CONDIȚII DE CALITATE ȘI ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ A CONSUMATORILOR ȘI REGIMUL

LOR DE FUNCȚIONARE

2.1.1. CONDIȚII DE CALITATE ȘI ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ A CONSUMATORILOR

Pentru buna funcționare a receptoarelor, alimentarea cu energie electrică trebuie să îndeplinească o serie de condiții referitoare la tensiune, frecvență, putere de continuitate. Aceste condiții sunt prezentate în cele ce urmează:

Tensiunea constantă ca valoare și forma, constituie o primă condiție pentru orice receptor. Este recomandabil ca tensiunea la bornele receptoarelor să fie constantă și egală cu cea nominală, sau variațiile posibile să se încadreze în limitele precizate pentru fiecare receptor în parte.

În exploatarea instalațiilor electrice apar variații de tensiune cauzate de consumator datorită variațiilor de sarcină sau scurt circuit.

Aceste variații pot fi lente, cauzate de modificarea un timp a încărcării receptoarelor, sau rapide, cauzate de scurtcircuite sau de modificări rapide ale sarcinii, inclusiv cele datorate conectării de receptoare.

O diminuare cu caracter permanent a valorii tensiunii poate fi consecința subdimensionării secțiunii conductoarelor. Această situație poate provoca defectele ce urmează:

– distrugerea izolației electrice;

– nefuncționarea echipamentului;

– suprasolicitarea termică a receptoarelor și a conductoarelor.

Tensiunile de alimentare mai mari decât cele nominale determină funcționări în suprasarcină a receptoarelor de forță și reducerea duratei de viața a receptoarelor de iluminat.

Scăderea tensiunii sub valoarea nominală, atrage după sine solicitarea termică, funcționarea la parametrii inferiori sau chiar nefuncționarea unor receptoare sau instalații.

Problema formei tensiunii, se pune atât în cazul receptoarelor alimentate în curent continuu, cât și în cazul celor alimentate în curent alternativ. Tensiunea continuă la bornele receptoarelor de curent continuu, poate avea o serie de armonici mai ales dacă sursa de tensiune este un redresor semicomandat sau comandat.

Conținutul de armonici este limitat in funcție de efectele acestora asupra receptoarelor, prin precizarea coeficientului de distorsiune admis. Abaterea de la forma sinusoidala a undei de tensiune determină funcționarea receptoarelor de curent deformat.

În timp ce la unele receptoare prezența armonicilor în unda de tensiune nu deranjează la altele, printre care și motoarele electrice, prezența armonicilor de tensiune trebuie limitată tot prin precizarea coeficientului de distorsiune admis.

Cauzele distorsiunii undei sinusoidale de tensiune se găsesc în cea mai mare parte la consumatori. În timp ce o serie de echipamente, cum sunt bobinele cu miez feromagnetic, receptoarele cu arc electric și comutatoarele reprezintă surse de armonici de tensiune și curent, elementele reactive de circuit ( ca bobine si condensatoare ), constituie amplificatoare de armonici de tensiune și curent.

În cadrul instalațiilor electrice, la consumator trebuie luate măsuri pentru reducerea efectelor deformate și a influenței asupra rețelei de alimentare.

Frecvența constantă a tensiunii de alimentare constitue un deziderat major atât pentru buna funcționare a receptoarelor, menținerea preciziei aparatelor de măsură, cât și pentru mașinile de lucru acționate de motoarele de curent alternativ.

Variațiile frecvenței pot fi cauzate de variații importante de sarcina sau de avarii grave în sistem, originea unor asemenea cauze putând fi consumatorii de energie electrică.

Menținerea constantă a frecvenței industriale 50 Hz este o problemă la nivel de sistem energetic, fiind legată de puterea în rezervă din centrala electrică.

În anumite situații, când posibilitățile de producere a energiei electrice în centrale sunt limitate, se decide întreruperea alimentării unor consumatori în locul menținerii frecvenței în sistem.

Abaterile maxime ale frecvenței sunt de ±0.5 Hz.

Simetria tensiunilor este condiția de bază căreia sistemul tensiunilor de fază trebuie să-i corespundă trei fazori egali si defazați cu 120 grd.

Puterea necesară este o condiție globală a consumatorilor și unul dintre criteriile esențiale de proiectare.

2.1.2. REGIMURILE DE FUNCȚIONARE ALE CONSUMATORILOR NAVALI

La bord deosebim o întreaga serie de stări dintre care fiecare în parte în timpul duratei sale, denotă o desfășurare particulară. Producerea de energie trebuie să se facă în mod economic la majoritatea stărilor, adică cu agregate bine utilizate.

În afară de acestea, trebuie să avem pentru fiecare regim o rezervă pentru ca în cazul defectării unui agregat generator să se asigure alimentarea cu curent a tuturor consumatorilor esențiali și neesențiali.

Regimul de marș – Este o exploatare normală propriu-zisă a navei. Nava se deplasează cu întreaga putere a mașinilor fără modificarea vitezei timp de mai multe zile sau chiar săptămâni. Toate mașinile auxiliare asociate exploatării motorului principal funcționează continuu și uniform, la care se adaugă. ventilatoarele din sala mașinilor, instalațiile refrigeratoare, mașina cârmei etc.

Pompele pentru exploatarea navală propriu-zisă se folosesc de cele mai multe ori la perioade regulate: pompa de balast pentru restabilirea asietei navei; pompa de incendiu; pompa de santina; pompele pentru alimentarea cu apă potabilă și apă tehnică, precum și pentru scopuri sanitare.

Instalațiile de navigație a navei și instalațiile de telecomunicații se folosesc în flux continuu ( regim normal de lucru ). În funcție de necesitați iluminatul se folosește atât în timpul nopții cât și în timpul zilei.

Staționarea fără alte operațiuni – Este situația în care nava se află la cheu în așteptarea unei noi încărcături, pentru reparații sau pentru alte motive. Nu există decât exploatarea de gospodărie și iluminat, amândouă într-o măsură restrânsă. Necesarul de putere va fi deci mic, el putând fi suportat ușor de un singur generator, un generator de staționare în cazul în care acesta există sau alimentare de la mal.

Staționarea cu operațiuni de încărcare-descărcare – Operațiunile se fac cu agregate din exteriorul bordului navei, consumurile de energie rezultate în urma funcționării instalațiilor de încărcare descărcare nu se mai iau în calcul pentru că se folosește energie de la uscat.

În această stare de funcționare la bordul navei în stare de exploatare se află următoarele consumatoare de energie electrică:

– instalația frigorifică;

– vinciuri manevră si cabestanul;

– pompe de santină si balast;

– instalații gospodărești;

– instalație iluminat, etc.

Regim de manevră – În această categorie intră deplasările pentru acostare, deplasare în ape înguste pe canalele fluviilor, fluvii sau manevre de intrare în porturi.

Trebuie avut în vedere că cerințele antrenărilor de punte sau celor legate de mașina principală sunt mai ridicate decât în cazul marșului.

2.2. SARCINI ELECTRICE DE CALCUL

În cadrul instalațiilor electrice de calcul, sarcina electrică reprezintă o mărime care caracterizează consumul de energie electrică.

Mărimile utilizate frecvent în acest scop sunt puterea activă P, puterea reactivă Q, puterea aparentă S și curentul I.

În proiectarea instalațiilor electrice la consumatori este necesar să se cunoască în primul rând puterea activă absorbită de către:

– receptoare, pentru determinarea circuitelor de receptor;

– utilaje, pentru determinarea circuitelor de utilaj;

– grupe de receptoare și utilaje pentru dimensionarea tablourilor de distribuție și a coloanelor de alimentare a acestora.

Caracteristicile tehnice nominale ale receptoarelor sunt următoarele:

– puterea activă Pn sau aparentă Sn;

– tensiunea Un

– conexiunea fazelor;

– curentul In;

– randamentul ηn;

– factorul de putere cosφn;

– relația dintre curentul de pornire In(conectare) și curentul nominal In, sub forma raportului Ip/In.

Raportul dintre puterea cerută și puterea instalată se numește coeficient de cerere Kc; acest coeficient ține seama de simultaneitatea funcționării mașinilor, gradul de încărcare al receptoarelor electrice și de randamentele receptoarelor și rețelei de distribuție.

Coeficienții de curent sunt determinați experimental pe baze statistice pentru diferite categorii de receptoare și cu ajutorul lor se pot calcula puterile cerute.

Puterea cerută Pc reprezintă o putere activă convențională, de valoare constantă, care produce în elementele instalației electrice același efect termic ca și puterea variabilă reală într-un interval de timp determinat în perioada de încărcare maximă. Determinarea prin calcul a puterilor cerute se face prin diferite metode utilizate în funcție de stadiul proiectării și nivelul la care se efectuează calculele.

Deoarece calculele trebuiesc efectuate la toate nivelele instalații electrice la consumator este preferabilă acea metodă care se aplică în toate situațiile.

Metoda coeficienților de cerere. Metoda constă în utilizarea unor coeficienți de cerere Kc stabiliți pentru grupe de receptoare.

Puterea activă totală Pc este:

(2.1)

În care:

Pck – puterea activă cerută de grupele de receptoare K in KW.

Cck – coeficientul de cerere cerut de grupa de receptoare K.

PIk – puterea activă instalată pentru grupa de receptoare K in KW.

Factorul de putere mediu φn este:

Cos φn = (2.2)

În care:

Qc – puterea reactivă totală cerută în KVAR.

Puterea reactivă totală cerută Qc este:

Qc =∙tgφk (2.3)

În care :

Qck – puterea reactivă cerută de grupa de receptoare în KVAR.

tgφk – tangenta unghiului φ pentru grupa de receptoare K.

2.3. NORMATIVE ȘI REGULI DE REGISTRU

2.3.1. COMPONENȚA ȘI PUTEREA SURSEI PRINCIPALE DE ENERGIE

La fiecare navă cu tonaj brut 300 și mai mult trebuie să se prevadă o sursă principală de energie electrică care să asigure alimentarea tuturor consumatorilor necesari ai navei în regimurile sale. Această sursă trebuie să fie compusă, pe cât posibil, din două generatoare cu acționare independentă.

Numărul și puterea generatoarelor cu acționare independentă și a sistemelor generatoare de curent cu convertizoare statice care intră în componenta sursei principale de energie electrică trebuie să fie astfel calculate încât la ieșirea din funcțiune a oricărui generator sau convertizor, cele rămase în funcțiune să asigure:

1. alimentarea cu energie electrică a instalațiilor esențiale (importante) în regimurile sale asigurându-se în același timp condiții minime sociale pentru echipaj;

2. pornirea celui mai puternic motor electric cu cel mai mare curent de pornire și cu pornirea cea mai grea. În acest caz, nu trebuie să se producă o scădere a tensiunii si a frecventei care ar putea duce la ieșirea din sincronism, oprirea motorului de acționare a generatorului, precum și la deconectarea mașinilor și aparatelor în funcțiune;

3. alimentarea consumatorilor necesari pentru pornirea motorului principal, pornindu-se de la situația de navă oprită complet. În acest scop poate fi utilizat și generatorul de avarie dacă puterea sa, fie singură fie combinată cu aceea a oricărei alte surse de energie electrică asigură alimentarea simultană a consumatorilor.

În locul unuia dintre generatoarele cu acționare independentă indicate la paragraful 1 se poate utiliza un generator acționat de arborele motorului principal, dacă acesta corespunde cerințelor :

1. generatorul acționat de arborele motorului principal funcționează la o turație practic constantă în cazul regimurilor diferite de marș ale navei;

2. este posibilă punerea în funcțiune a instalației de propulsie a navei în cazul defectării oricărui generator cu acționare independentă.

Utilizarea generatoarelor acționate de arborele motorului principal care funcționează cu turație variabilă a motorului principal sau a arborelui și care intră în componența sursei principale de energie electrică face obiectul unei examinări speciale a registrului.

Determinarea numărului și puterii generatoarelor sursei principale de energie electrică și transformatoarelor trebuie să se facă ținându-se seama de următoarele regimuri de funcționare ale navei:

1. regimul de marș;

2. regimul de manevră;

3. regimul de avarie, adică, în caz de incendiu, spărtură în corp sau alte condiții care influențează asupra securității navigației navei, atunci când sursele de energie electrică funcționează;

4. alte regimuri în funcție de destinația navei.

Dacă bateriile de acumulatoare constituie sursa principală de energie electrică, capacitatea lor trebuie să fie suficientă pentru asigurarea îndeplinirii condițiilor impuse de registrele de clasificatie timp de 8 ore fără reîncărcare.

Pe navele cu regim de navigație limitată III, cu instalație electrică de mică putere ca sursă principală de energie electrică se admite instalarea unui singur generator cu acționare independentă sau baterii de acumulatori.

2.3.2. AGREGATE ELECTRICE

Agregatele electrice trebuie să fie calculate pentru o funcționare continuă ținându-se cont de scăderea de putere în timpul exploatării navei în condițiile de la paragraful 1.

În caz de scurtcircuit în rețeaua navei, generatoarele trebuie să asigure o valoare a curentului stabilizat de scurtcircuit suficientă pentru acționarea protecțiilor.

Generatoarele cu acționare independentă trebuie să aibă asigurată posibilitatea reglării tensiunii în limitele indicate și a frecvenței în limitele indicate.

În cazul generatoarelor de curent alternativ, forma de undă a tensiunii pentru mersul în gol trebuie să fie cât mai sinusoidală. Abaterea față de forma sinusoidală nu trebuie să depășească 5% din valoarea de vârf a fundamentalei.

Repartizarea sarcinii în cazul funcționării în paralel a agregatelor

Caracteristicile regulatoarelor mecanismelor de acționare a generatoarelor de curent alternativ, destinate să funcționeze în paralel, trebuie să fie astfel, încât în limitele de la 20% până la 100% din sarcina totală, sarcinile active ale diferitelor generatoare să nu difere de valoarea puterii care le revine proporțional cu mai mult de 15% din puterea activă

nominală, a celui mai mare generator care funcționează în paralel sau 25% din puterea activă nominală a generatorului mai mic, în funcție de care dintre aceste mărimi este mai mică. Agregatele de curent alternativ destinat funcționării în paralel trebuie dotate cu un dispozitiv pentru reglarea precisă a sarcinii în limitele a 5% din sarcina nominală, la frecvența nominală, fără a fi necesară o reglare manuală.

Agregate de curent alternativ, destinate pentru funcționarea în paralel, trebuie să fie prevăzute cu un astfel de sistem de compensare a căderii de tensiune reactiva, încât în timpul funcționării în paralel a agregatelor, repartizarea sarcinii reactive între generatoare să nu difere de mărimea puterii proporționale cu mai mult de 10% din sarcina reactivă nominală a celui mai mare generator, sau nu mai mult de 25% din puterea nominală a celui mai mic generator, dacă această valoare este mai mică decât cea de mai sus.

În cazul funcționării în paralel a generatoarelor de curent alternativ și o sarcină între 20% și 100% din puterea nominală se pot admite variații de ±15% din valoarea nominală a curentului celui mai mare generator.

Caracteristicile regulatoarelor de turație, la motoarele de acționare ale generatoarelor de curent continuu, trebuie să fie astfel, încât în timpul funcționării în paralel, sarcina diferitelor generatoare să fie repartizată, pe cât posibil, proporțional cu puterea fiecărui generator. Pentru sarcinile în limitele 20 — 100% din sarcina nominală, sarcina unor generatoare nu trebuie să difere de mărimea puterii proporționale a generatorului respectiv cu mai mult decât 12% din puterea celui mai mare generator sau 20% din puterea celui mai mic dintre generatoarele care lucrează în paralel. Pentru generatoarele de putere egală, sarcina oricărui generator nu trebuie să difere de mărimea puterii lor proporționale, cu mai mult de 10% din puterea nominală.

Generatoarele acționate de arborele motorului principal

Generatoarele acționate de arborele motorului principal, care se utilizează pentru alimentarea rețelei de bord, trebuie să fie echipate cu dispozitive de reglare a tensiunii în limitele indicate . În cazul scăderii tensiunii din rețea sub cea admisibilă trebuie să se prevadă conectarea automată la rețeaua bordului a unuia sau mai multor generatoare cu acționare independentă, sau sa se declanșeze semnalizarea preventivă de avarie în compartimentul de mașini sau la postul central de comandă.

Generatoarele acționate de arborele motorului principal, destinate alimentării diferiților consumatori, cu acordul registrului pot funcționa cu caracteristicile deosebite .

Generatoarele acționate de arborele motorului principal și convertizorii semiconductori (invertorii), care funcționează concomitent la rețeaua de bord, trebuie să suporte fără defecțiuni scurtcircuite la bornele tabloului principal de distribuție. Pentru aceasta trebuie să se asigure ca respectivul curent de scurtcircuit să fie suficient pentru declanșarea dispozitivelor automate de protecție.

Generatoarele acționate de arborele motorului principal trebuie să fie calculate, ca minimum, pentru o funcționare de scurtă durată în paralel cu alte tipuri de agregate cu generatoare, cu posibilitatea transferului de sarcină atât manual cât și automat (dacă această există).

Pentru generatoarele acționate de arborele motorului principal, de curent alternativ, trebuie să se prevadă dispozitive automate care să preîntâmpine suprasarcina de curent în elementele sistemelor lor de excitație, în cazul funcționării cu o turație mai mică de 95% fată de cea nominală. Pentru aceasta se admite diminuarea corespunzătoare a tensiunii la bornei generatoarelor.

Pentru fiecare generator acționat de arborele motorului principal la tabloul principal de distribuție trebuie să se prevadă un dispozitiv de anulare a excitației, precum și aparate.

În cazul cuplării generatorului acționat de arborele motorului principal la rețeaua de bord la puntea de navigație trebuie să se cupleze automat semnalizarea optică preventivă pentru modificarea regimului de lucru a mecanismelor principale care poate conduce la abateri ale parametrilor rețelei de bord.

2.3.3. TURBOGENERATOARE OBIȘNUITE

Turbogeneratoarele obișnuite, care se utilizează pentru alimentarea rețelei de bord, trebuie să fie echipate cu dispozitive de reglare a tensiunii.

Turbogeneratoarele obișnuite, destinate alimentării diferiților consumatori, prin acord cu registrul, pot funcționa cu caracteristici ce se deosebesc ca tensiune și frecvență.

Turbogeneratoarele obișnuite, trebuie să fie calculate pentru funcționarea îndelungată în paralel cu alte tipuri de agregate generatoare.

2.3.4. NORMATIVE INTERNAȚIONALE

Tabloul trebuie să funcționeze în următoarele condiții:

– Varianta tensiunii de alimentare și a frecvenței trebuie să fie conform tabelului

Tabel 2.1

– Temperatura mediului ambiant între 10º si 45 º.

– Umiditatea relativă a aerului:

– la temperatura de 45ºC ±2 ÷ 75±3%

– la temperatura de 40ºC ±2 ÷ 80±3%

– la temperatura de 25ºC ±2 ÷ 95±3%

– Ruliul până la 2.5 grade cu o perioadă între 7 și 9 sec și un tangaj de până la 10 grade.

– Vibrații cu o frecvență de 5…30Hz.

CAPITOLUL III. BILANȚUL ENERGETIC DE AVARIE. ALEGEREA DIESEL-GENERATORULUI

3.1. BILANȚUL ENERGETIC PENTRU REGIMUL DE AVARIE CU TENSIUNEA NOMINALĂ DE 380 V

Experiența arată că procesul modificării sarcinii centralei electrice normale ( C.E.N.), în general, este un proces aleator, fapt pentru care au fost stabilite metode probabilistice de determinare a bilanțului energetic.

Totuși, în practica proiectării, până în prezent, pentru calculul sarcinii generatorului c.e.n. se acordă prioritate metodei deterministe – metodei tabelare, pe care o prezentăm în continuare. În acest caz, se determină separat sarcina c.e.n. pentru toate regimurile de funcționare ( exploatare ), care se stabilesc în funcție de tipul și destinația navei.

Pentru nava cargou, regimurile de funcționare cele mai întâlnite sunt:

Regimul de staționare fără operații de încărcare-descărcare.

Regimul de staționare cu operații de încărcare-descărcare.

Regimul de manevră.

Regimul de marș.

Regimul de avarie.

Determinarea sarcinii centralei electrice de avarie se face pe baza rezultatelor din proiectul navei, a datelor prototipurilor de nave și a rezultatelor statistice.

Caracteristicile tehnice nominale ale consumatorilor de energie electrică, sunt:

puterea activă ( Pn ) sau puterea aparentă ( Sn );

tensiunea ( Un );

intensitatea curentului ( In );

randamentul ( ηn );

factorul de putere ( cos φn );

raportul dintre curentul de pornire și curentul nominal ( Ip / In).

Centrala electrică de avarie, în condiții normale, este alimentată din T.P.D. Din tabloul de distribuție avarie sunt alimentați consumatorii esențiali care, în cazul navei cargou de 78000 tdw, sunt următorii:

instalația de guvernare;

instalația de iluminat compartiment mașini ( C.M. );

motorul electric de antrenare a pompei de incendiu avarie;

motorul electric de antrenare a pompei de santină;

instalația de iluminat general;

instalația de radiocomunicații;

redresorul de încărcare a bateriilor de acumulatoare;

girocompasul;

instalația de comandă semnalizare (panou navigație);

ventilator compresor DGA;

compresor aer avarie.

Avantajul metodei tabelare constă în faptul că este universală, aplicabilă pentru nave de orice tip și destinație.

În întocmirea tabelului în bilanțul energetic, specific metodei, se operează cu următoarele noțiuni:

Puterea cerută unitară ( Piu ):

pentru motoare electrice :

;

pentru iluminat, plite electrice, radiatoare etc:

.

Puterea cerută totală ( Pi ) pentru fiecare mecanism:

,

unde: nc reprezintă numărul consumatorilor de același fel.

Coeficientul de simultaneitate ( K0 ) al funcționării receptoarelor de același fel:

,

unde: – ncf – numărul de consumatori de același fel care funcționează în regimul considerat;

– nc inst – numărul consumatorilor de același fel instalați pe navă.

Coeficientul de sarcină ( sau de încărcare ) a unui consumator ( Ks) :

,

unde: Pefect este puterea efectiv ( reală ) consumată în regimul considerat.

Puterile activă și reactivă cerute de consumatorii de același fel:

,

,

unde : tgφ se determină cunoscând factorul de putere ( cosφ) a consumatorului pentru

regimul considerat.

Corespunzător algoritmului de calcul se determină puterile cerute totale pentru fiecare consumator. În continuare, se calculează puterile activă și reactivă de calcul a centralei electrice de avarie pentru consumatorii esențiali cu luarea în considerare a pierderilor de putere din rețeaua de distribuție. Aceste pierderi se apreciază ca fiind 3-5 % din puterea consumată.

Puterile de calcul ale centralei electrice de avarie se determină astfel:

,

,

unde: N este numărul de consumatori din tabelul bilanțului energetic, iar KOG este

coeficientul de simultaneitate general ( valoare medie) pentru regimul de avarie.

Puterea aparentă totală de calcul pentru regimul de avarie se calculează cu relația:

,

iar factorul de putere calculat este:

.

Este necasar să se prevadă și o rezervă de 15-20 % față de puterea consumată.

La alegerea generatorului sincron se are în vedere ca încărcarea acestuia să fie Ksg=0,7÷0,8.

În tabelul 3.1. se prezintă bilanțul energetic al centralei electrice de avarie.

BILANȚUL ENERGETIC ȘI ALEGEREA GENERATORULUI DE AVARIE

Tabelul 3.1.

3.2. ALEGEREA GENERATORULUI SINCRON ȘI A

MOTORULUI DIESEL

Corespunzător bilanțului energetic se alege un generator sincron cu , iar , .

Se alege generatorul sincron de tipul MCK 102 – 4 cu , , n=1500 rpm, conexiunea stea ( pentru ).

Parametrii nominali ai generatorului sincron ales sunt:

Rezistența fazei înfășurării statorice, la temperatura de 20 C, este de 0,02 ( Ω );

Rezistența înfășurării rotorice, la temperatura de 20 C, este de 0,0972 ( Ω );

Reactanța de dispersie a statorului ;

Reactanța de reacție longitudinală a rotorului: ;

Reactanța de reacție transversală a rotorului: ;

Reactanța tranzitorie longitudinală a rotorului: ;

Reactanța supertranzitorie longitudinală a rotorului: ;

Reactanța de succesiune inversă ( a fazei ) : ;

Reactanța omopolară a fazei : ;

Constanta de timp a înfășurării de excitație când înfășurarea statorică este în gol: ;

Constanta de timp a înfășurării de excitație când înfășurarea statorică este în scurtcircuit: ;

Constanta de timp a înfășurării statorice când înfășurarea de excitație este în scurtcircuit: ;

Constanta de timp a înfășurării de amortizare când înfășurările de excitație și statorică sunt în scurtcircuit: ;

Coeficientul de sarcină ( încărcare ) a generatorului sincron conform bilanțului energetic este : , ceea ce se încadrează în limitele recomandate.

Generatorul sincron MCK 102 – 4 este antrenat de un motor Diesel tip 6VD 18/15A –25RW, având puterea nominală 192 KW și turația nominală 1500 rpm.

3.3. PORNIREA, CUPLAREA ÎN BARE ȘI OPRIREA MOTORULUI DIESEL

3.3.1. PREGĂTIREA PENTRU PORNIRE

Înainte de pornirea motorului se execută următoarele operațiuni:

– se verifică nivelul uleiului din baia carterului motorului, din carterul pompei de injecție și din regulator

– se verifică nivelul apei din tancul de expansiune

– se verifică etanșeitatea la locurile de racordare ale sistemului de răcire, ungere, și alimentare cu combustibil.

– se verifică existența unei cantități suficiente de motorină în tancul de serviciu și se deschide robinetul instalației

– se așează maneta de comandă (cremaliera) a pompei de injecție în poziția corespunzătoare reducerii debitului de motorină

– se verifică dacă bateria de acumulatori este încărcată și dacă papucii sunt bine strânși pe bornele bateriei.

– se verifică starea izolație conductorilor de la baterie la demaror

– se verifică strângerea rigidă a demarorului pe motor și fixarea corectă a apărătorii demarorului.

3.3.2. PORNIREA PROPRIU-ZISĂ

– se așează cremaliera în poziția corespunzătoare debitului maxim

– se introduce cheia în contact

– se apasă pe butonul de pornire, imediat ce motorul a pornit se lasă liber butonul de pornire și se reduce accelerația lăsând motorul să funcționeze la circa 1000 rot/min. în vederea încălziri acestuia

Dacă la pornire, pinionul demarorului rămâne cuplat pe coroana volantei se oprește imediat motorul și se decuplează pinionul prin fereastra de vizitare din carterul volantei.

Nu se trece la o nouă pornire până când nu se va verifica demarorul și volanta

În cazul în care pinionul demarorului rămâne cuplat și motorul nu poate fi oprit se scoate imediat papucul de borna + de la baterie.

Verificarea după pornirea motorului:

– se verifică presiunea indicată la manometru ( 3-4.5 kgf/cm2)

– acul termometrului de apă trebuie să oscileze în dreptul zonei de lucru marcată pe cadran corespunzătoare unei temperaturi a apei de 75-950C

– se verifică dacă alternatorul indică (încarcă) bateria de acumulatori

– după fiecare pornire a motorului acul indicator de curent trebuie să se deplaseze spre dreapta proporțional cu turația motorului și să revină la poziția de repaus într-un timp relativ scurt după ce generatorul a încărcat bateria de acumulatori.

3.3.3. CUPLAREA ÎN BARE

– se mărește turația motorului până când se ajunge la frecvența de 50Hz

– se verifică dacă USOL-ul din TPD1 este pe poziția “0”

– se cuplează USOL-ul din tabloul local pe poziția “1”

-se decuplează tensiunea de la mal și se cuplează USOL-ul din TPD1 este pe poziția“1”

3.3.4. OPRIREA MOTORULUI

– se decuplează tensiunea de la bare .

– se lasă motorul să funcționeze în gol la turație redusă, câteva minute pentru scăderea temperaturii a apei și a uleiului.

– se întrerupe debitului de motorină prin deplasarea cremalierei în poziția minimă

– se scoate cheia din contact

– se închide robinetul instalației de alimentare de la tancul de serviciu.

CAPITOLUL IV. REGLAREA AUTOMATĂ A TENSIUNII

ȘI PUTERII REACTIVE

4.1. GENERALITĂȚI

În funcționarea normală a sistemelor electroenergetice navale se produce continuu schimbarea sarcinii consumatorilor și, ca urmare, schimbarea puterii cerută de la generatoare. Aceste schimbări, în cazul în care lipsește reglarea automată, produc oscilații ale tensiunii și frecvenței sistemului față de valorile nominale și înrăutățesc calitatea energiei electrice produsă de generatoare. Oscilațiile tensiunii produc schimbarea parametrilor de funcționare ai consumatorilor, iar oscilațiile violente, create de scurtcircuite în rețea sau de pornirea unor motoare asincrone de putere comparabilă cu a generatoarelor, pot duce la deteriorarea stabilității sistemului și scoaterea generatoarelor din sincronism.

Micșorarea frecvenței duce la reducerea vitezei de rotație a motoarelor electrice și, ca urmare, se micșorează productivitatea unor mecanisme (pompe, ventilatoare) sau, în cazul mecanismelor de acționare a vinciurilor și macaralelor, se mărește durata operațiunilor. De asemenea, ridicarea frecvenței duce la creșterea puterii electromotoarelor, mărirea pierderilor și a încălzirii acestora.

Siguranța sistemelor electroenergetice navale are o importanță deosebită pentru funcționarea fără întrerupere a consumatorilor de energie electrică. În exploatare, calitatea energiei electrice este asigurată în principal de doi parametrii: tensiunea și frecvența.

Pentru menținerea constantă a tensiunii generatoarelor sincrone și distribuția echilibrată a sarcinii reactive se acționează asupra excitației generatorului. În sistemele de reglare automată a tensiunii, influența exterioară principală care determină fluctuațiile tensiunii, este curentul reactiv sau puterea reactivă. Componenta inductivă a curentului de sarcină este cea care creează fluxul de reacție longitudinal demagnetizant care produce scăderea fluxului rezultant și a tensiunii generatorului.

Pentru menținerea constantă a frecvenței și distribuția echilibrată a puterii active se acționează asupra regulatoarelor de turație ale motoarelor primare de antrenare a generatoarelor. În sistemele de reglare automată a frecvenței curentului generatorului sincron, influența exterioară principală, care determină oscilațiile frecvenței, este sarcina aplicată la axul motorului primar, adică puterea activă sau curentul activ produse de generator.

Sistemele de reglare automată a tensiunii și distribuției echilibrată a sarcinii reactive și sistemele de reglare automată a frecvenței și distribuției echilibrată a sarcinii active, sunt distincte în schema generală a generatorului sincron. De exemplu, dacă se acționează asupra excitației, care face parte din primul sistem, nu se poate obține modificarea parametrilor celui de-al doilea sistem: frecvența și puterea activă. De aceea, aceste sisteme se tratează separat și în acest capitol se prezintă primul sistem.

4.2. CARACTERISTICILE ȘI CLASIFICAREA SISTEMELOR DE REGLARE AUTOMATĂ A TENSIUNII (RAT)

Pentru restabilirea tensiunii în sistem, după scăderea ei în regimurile normale sau de avarie, este necesar să se acționeze asupra excitației generatorului sincron. Experiența exploatării sistemelor electroenergetice arată că reglarea automată a tensiunii prezintă o importanță deosebită pentru siguranța funcționării sistemului.

Comparativ cu sistemele industriale, în sistemele electroenergetice navale, reglarea automată a tensiunii trebuie să îndeplinească cerințe superioare privind calitatea energiei electrice. Aceasta se explică prin graficul diurn care, în cazul sistemelor electroenergetice navale, are mari fluctuații de sarcini active și reactive. De asemenea, pentru sistemul electroenergetic naval sunt caracteristice căderi mari de tensiune produse de curenții de scurtcircuit sau de curenții de pornire a motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit de putere comparabilă cu puterea generatoarelor. În același timp, cerința de menținere constantă a tensiunii la variația sarcinii este o condiție de bază pentru funcționarea unor instalații de la bordul navei (sisteme automate, aparatura de radio, iluminat).

Sistemele de reglare automată a tensiunii și distribuția echilibrată a sarcinii reactive la funcționarea în paralel a generatoarelor îndeplinesc următoarele funcții:

Menținerea nivelului dat al tensiunii în sistem și distribuția proporțională a sarcinii reactive între generatoarele care lucrează în paralel, în condițiile schimbării sarcinii de la zero până la valoarea nominală.

Creșterea (forțarea) excitației generatoarelor peste valoarea nominală, în cazul curenților de scurtcircuit sau altor avarii care produc scăderea tensiunii, pentru asigurarea stabilității dinamice a sistemului de reglare. Forțarea excitației până la valoarea maximă se produce chiar de la scăderea tensiunii generatorului cu 10-15% față de valoarea nominală.

Asigură restabilirea în timp scurt a tensiunii după deconectarea scurtcircuitelor. Scurtcircuitele care se produc în rețea sunt însoțite de căderi de tensiune și din această cauză motoarele asincrone își micșorează cuplul motor și viteza, în condițiile menținerii constante a cuplului rezistent. Regulatorul automat de tensiune mărește din primul moment tensiunea, iar după deconectarea scurtcircuitelor restabilește valoarea nominală a acesteia și asigură accelerarea motoarelor asincrone pentru refacerea turației nominale.

Ușurează pornirea motoarelor asincrone în scurtcircuit de putere mare, comparabilă cu puterea generatoarelor. La pornirea acestor motoare, valoarea mare a curentului de pornire reactiv produce prin fluxul de reacție al indusului demagnetizarea generatorului urmată de micșorarea tensiunii și prelungirea duratei de pornire a motorului. În aceste condiții regulatorul automat de tensiune (RAT) asigură forțarea excitației, restabilirea tensiunii și scurtarea însemnată a duratei de pornire a motorului asincron de putere mare.

Îmbunătățirea condițiilor de sincronizare a generatoarelor.

Menținerea constantă a tensiunii generatoarelor sincrone, atât în regim permanent, cât și în regim tranzitoriu, este posibilă numai prin folosirea regulatorului automat de tensiune. Obținerea aceluiași scop prin comandă manuală, cu ajutorul unui reostat, nu este posibilă din cauza întârzierii procesului de reglare efectuat de operator. De aceea, automatizarea sistemului electroenergetic necesită existența regulatorului automat de tensiune în schema generatorului.

Experiența arată că stabilitatea funcționării în paralel a generatoarelor este asigurată de posibilitatea forțării rapide a excitației generatoarelor până la valoarea maximă, capabilă să asigure restabilirea în timp scurt a tensiunii după decuplarea scurtcircuitelor și să mențină în funcțiune motoarele asincrone.

Pentru asigurarea stabilității funcționării în paralel a generatoarelor, regulatorul automat de tensiune trebuie să acționeze suficient de repede pentru a crește în timp scurt tensiunea și curentul în înfășurarea de excitație a generatorului sincron. Din acest punct de vedere, la generatoarele sincrone cu excitatrice, creșterea excitației se face mai încet decât la generatoarele cu autoexcitație din cauza întârzierilor produse de inductivitatea mare a înfășurării de excitație a excitatricei.

Curba de creștere a tensiunii la bornele înfășurării de excitație a generatorului sincron este prezentată în figura 4.1.

Fig. 4.1 Graficul de determinare a vitezei medii de creștere a tensiunii de excitație

Viteza de creștere a tensiunii este apreciată prin viteza medie de variație a tensiunii pe o durată de 0,5 s, față de tensiunea nominală a sistemului de excitație.

În figura 4.1 curba de creștere a tensiunii este aproximată printr-o dreaptă trasată astfel încât suprafața de sub curba a, d, e, f, c să fie egală cu suprafața triunghiului abc. Mărimea reprezintă tangenta unghiului de înclinare a dreptei ab. Pentru generatoare navale cu excitatrice, viteza medie de creștere a tensiunii este 108-235 v/s. Generatoarele autoexcitate asigură o viteză medie de creștere a tensiunii mai mare, în limitele 250-300 V/s.

Sistemul de excitație este caracterizat, de asemenea, de gradul de multiplicare a tensiunii la forțarea excitației. Acest grad este caracterizat de raportul între tensiunea limită maximă și tensiunea nominală.

(4.1)

Pentru generatoare sincrone cu excitatrice, gradul de multiplicare la forțarea excitației este , iar pentru generatoare autoexcitate .

Caracteristicile statice ale sistemului de reglare a tensiunii generatorului sincron reprezintă dependența tensiunii generatorului funcție de componenta reactivă a curentului de sarcină și sunt prezentate în figura 4.2.

Fig. 4.2 Caracteristicile sistemului de reglare: 1 – caracteristica astatică; 2, 3 – caracteristici statice.

Atunci când generatorul trece de la un regim stabil de funcționare, caracterizat de o anumită valoare a componentei reactive a curentului de sarcină, la alt regim stabil de funcționare pentru care componenta reactivă a curentului de sarcină are altă valoare, sistemul de reglare automată a tensiunii poate acționa în două feluri: să mențină constantă valoarea tensiunii pentru ambele regimuri stabile și, în acest caz, îi corespunde caracteristica astatică de reglare (dreapta 1 din figura 4.2) sau tensiunea în al doilea regim stabil să fie diferită de primul și, în acest caz, sistemul de reglare are caracteristică statică de reglare (dreapta 2 sau 3 din figura 4.2).

La reglarea după caracteristica astatică, în diferite regimuri de funcționare, tensiunea rămâne constantă indiferent de valoarea sarcinii.

La reglarea după caracteristica statică, tensiunea generatorului se schimbă în funcție de mărimea sarcinii. Gradul de schimbare a tensiunii la modificarea sarcinii este determinat de înclinarea caracteristicii de reglare, care este caracterizată de coeficientul de statism.

Ecuația caracteristicii statice 2 din figura 4.2 este:

(4.2)

în care: – tensiunea la bornele generatorului pentru o valoare determinată a curentului de sarcină reactiv

– tensiunea de mers în gol

– coeficientul de statism al caracteristicii de reglare.

Aprecierea caracteristicii statice de reglare se face prin mai mulți indicatori și anume:

abaterea erorii mărimii reglate față de valoarea inițială:

(4.3)

abaterea relativă a mărimii reglate sau eroarea statică:

(4.4)

în care: – tensiunea nominală a generatorului

statismul (corespunzător tensiunii nominale):

(4.5)

coeficientul de statism.

(4.6)

în care: – curentul reactiv de sarcină nominal.

Din punct de vedere al coeficientului de statism, acesta poate fi pozitiv atunci când tensiunea scade la creșterea curentului, (dreapta 2 din figura 4.2) sau negativ atunci când tensiunea crește la creșterea curentului de sarcină, (dreapta 3 din figura 4.2).

În practică, caracteristicile statice nu sunt linii drepte, regulatorul de tensiune în funcționare prezintă un domeniu de abateri. Valoarea acestora se apreciază prin coeficientul:

(4.7)

unde reprezintă lărgimea domeniului abaterilor de la mărimea reglată. În zona corespunzătoare a abaterilor, mărimea reglată (tensiunea) poate avea orice valoare. Coeficientul:

(4.8)

reprezintă precizia de menținere a mărimii reglate (tensiunea) pentru caracteristica dată.

Caracteristica statică a regulatorului automat de tensiune arată în ce măsură valoarea tensiunii generatorului, la instalarea unui nou regim stabil de funcționare, este diferită de valoarea din regimul stabil anterior. Această deosebire este exprimată de eroarea statică și de coeficientul de statism .

După principiile de funcționare, sistemele de reglare automată a tensiunii se împart în trei categorii:

Sisteme care acționează la abaterea tensiunii generatorului de la valoarea impusă (regulator automat de tensiune).

Sisteme care acționează în funcție de variația curentului de sarcină (compoundare fazică).

Sisteme cu reglare combinată care acționează atât la variația curentului de sarcină, cât și la abaterea tensiunii generatorului (compoundare fazică cu corector de tensiune).

Toate sistemele prezentate, pentru menținerea constantă a tensiunii, acționează asupra excitației generatoarelor. Acțiunea constă în introducerea unui curent suplimentar în înfășurarea de excitație a generatoarelor autoexcitate sau în înfășurarea de excitație a excitatricei, în cazul generatoarelor cu excitatrice, dependent de abaterea mărimii reglate.

4.3 SISTEME DE COMPOUNDARE A GENERATOARELOR SINCRONE

Compoundarea după curent

Principiul compoundării excitației de la curentul de sarcină folosit la generatorul de curent continuu cu excitație compound (mixtă) este folosit și pentru generatorul de curent alternativ.

Compoundarea după curent realizează schimbarea excitației în dependență de mărimea curentului de sarcină. În figura 4.3 se prezintă schema compoundării curentului generatorului sincron.

Curentul de sarcină al generatorului trece prin înfășurarea primară a transformatorului de curent TC. Din secundarul transformatorului, curentul IK proporțional cu curentul de sarcină IG este redresat și se aplică înfășurării de excitație a excitatricei. Curentul suplimentar iK introdus în înfășurarea de excitație compensează variația tensiunii determinată de curentul de sarcină. Mărimea necesară a curentului iK se asigură prin alegerea corespunzătoare a elementelor din circuitul de compensare.

Fig. 4.3 Schema de principiu a compoundării curentului generatorului sincron

Sistemul compoundării după curent este realizat simplu și reglează neîntrerupt excitația, fără zone de insensibilitate.

Reglarea excitației în schema de compoundare după curent se face după legea:

(4.9)

unde: – tensiunea electromotoare a generatorului proporțională cu tensiunea excitatricei;

– tensiunea electromotoare a generatorului proporțională cu tensiunea excitatricei, în absența alimentării suplimentare de la sistemul de compoundare ();

– coeficient de compoundare;

– curentul de sarcină al generatorului.

La scurtcircuite și mărirea bruscă a sarcinii în sistemul electroenergetic, se produce scăderea rapidă a tensiunii la bornele generatorului. Curentul de compoundare, iK, determinat de creșterea curentului generatorului, IG, produce forțarea excitației până la valoarea maximă și restabilirea tensiunii generatorului.

În același timp, trebuie menționat, că principiul compoundării prezentat în figura 4.3 nu rezolvă complet problema reglării excitației, întrucât curentul de compoundare, iK, este proporțional cu valoarea totală a curentului de sarcină și nu sesizează modificarea factorului de putere. În cazul generatorului sincron, spre deosebire de generatorul de curent continuu, curentul de sarcină este defazat cu un unghi, , față de tensiunea generatorului și are două componente: o componentă activă, Ia, în fază cu tensiunea generatorului și o componentă reactivă, Ir, în urmă cu (pentru sarcina inductivă) față de tensiunea generatorului (figura 4.4).

Fig. 4.4 Componentele curentului de sarcină

Din analiza fenomenului reacției indusului, componenta reactivă inductivă creează un flux de reacție longitudinal demagnetizant, constituind cauza principală a micșorării fluxului rezultant la mărirea sarcinii și pe această bază, a reducerii tensiunii la bornele generatorului. În figura 4.4 se vede că în condițiile menținerii constante a valorii totale a curentului de sarcină, la creșterea defazajului de la la se mărește valoarea componentei reactive, crește efectul de demagnetizare și reducere a tensiunii generatorului. Sistemul de compoundare fiind dependent de valoarea totală a curentului de sarcină, nu reacționează la modificarea defazajului și, ca urmare, precizia reglării este insuficientă și reprezintă 5-10% din tensiunea nominală.

În schemele folosite în aplicațiile practice, pentru ridicarea preciziei reglării se utilizează compoundarea fazică care permite efectuarea reglării, atât în funcție de mărimea curentului de sarcină, cât și în funcție de defazajul dintre curent și tensiune.

Compoundare fazică. Sistemul de compoundare fazică, reprezentat în figura 4.5 se bazează pe principiul reglării combinate și asigură menținerea constantă a tensiunii atât la schimbarea curentului, cât și a factorului de putere al sarcinii.

Fig. 4.5 Schema de principiu a compoundării fazice de curent

Pentru explicarea principiului de funcționare al compoundării fazice, în figura 4.6 se prezintă diagramele fazoriale ale tensiunii și curentului construite pentru diferite valori ale factorului de putere.

Legea reglării excitației în cazul compoundării fazice este exprimată de relația:

(4.10)

unde: – tensiunea generatorului

– curentul generatorului

– coeficient de compoundare după tensiune

– coeficient de compoundare după curent.

Curentul în înfășurarea de excitație, Ie, este determinat de suma vectorială a două componente: o componentă IK proporțională cu valoarea curentului de sarcină și o componentă IU proporțională cu tensiunea generatorului. Pentru obținerea unui reglaj corect, componenta de tensiune IU trebuie să fie decalată cu unghiul față de tensiunea generatorului. În acest caz, pentru un curent de sarcină constant, la schimbarea defazajului dintre tensiune și curent de la la , curentul de excitație al generatorului are valoarea minimă la și maximă la , ceea ce corespunde reglajului, întrucât la creșterea defazajului se mărește componenta reactivă a curentului, crește efectul de demagnetizare care este compensat de creșterea corespunzătoare a curentului de excitație. În caz contrar, pentru IU în fază cu tensiunea generatorului, , curentul de excitație maxim ar fi pentru și minim la , adică invers față de necesitățile reglajului.

Fig. 4.6 Diagrama fazorială a tensiunii și curentului în cazul legării în paralel

a înfășurărilor secundare ale transformatoarelor de curent și tensiune pentru

Defazajul dintre tensiunea generatorului UG și componenta curentului de excitație IU, proporțională cu tensiunea generatorului, în schema din figura 4.5, se obține prin conectarea în circuit a impedanței ZK de valoare foarte mare.

În schemele de compoundare fazică, înfășurările secundare ale transformatoarelor de tensiune și de curent pot fi conectate în paralel sau în serie.

Fig. 4.10. Scheme de compoundare fazică pentru generatoare sincrone autoexcitate:

cu șunt magnetic

CAPITOLUL V. REGLAREA AUTOMATĂ A FRECVENȚEI

În sistemele electroenergetice de curent alternativ frecvența este dependentă de viteza de rotație a motoarelor primare care antrenează generatoarele sincrone. Agregatele generatoare, care alimentează motoarele electrice de acționare precum și alți consumatori de energie de la bordul navei, sunt prevăzute cu regulatoare pentru stabilizarea frecvenței curentului alternativ. Menținerea constantă a frecvenței în sistemele electroenergetice constituie una din condițiile de bază pentru funcționarea normală a consumatorilor de energie electrică.

Spre deosebire de reglarea tensiunii, reglarea frecvenței trebuie să asigure o singură frecvență pentru tot sistemul, independent de distribuția sarcinii active între agregatele generatoare.

Reglarea frecvenței este strâns legată de distribuția puterii active între agregatele generatoare, întrucât restabilirea frecvenței în sistemul electroenergetic se obține pe seama schimbării puterii active între agregatele generatoare. Scopul reglării automate a frecvenței și distribuției puterii active între generatoare este obținerea eficienței economice și siguranță ridicată în funcționare, atât în regimuri normale cât și în regim de avarie.

Ecuația de echilibru a puterilor agregatului generator de energie electrică este:

(5.1)

unde: – puterea dezvoltată de motorul primar

– puterea dezvoltată de generator

– momentul de inerție al elementelor în mișcare de rotație de la motor și generator

– viteza unghiulară de rotație

– pierderi mecanice și electrice.

Puterea, , dată de momentul de frânare al generatorului este determinată de sarcina lui și depinde de viteza unghiulară de rotație, . Valoarea puterii a motorului primar depinde de regulatorul de turație și viteza unghiulară de rotație.

Cauza modificării frecvenței în sistemul electroenergetic constă în dezechilibrul dintre suma puterilor dezvoltate de generatoare, și suma puterilor cerută de consumatori, . Modificarea echilibrului se produce atât ca urmare a schimbării cât și a care atrage după sine schimbarea vitezei de rotație a agregatelor și a frecvenței în sistem.

Întrucât frecvența curentului alternativ este dată de viteza de rotație a motorului primar de antrenare a generatorului, stabilizarea frecvenței se obține acționându-se asupra sistemului de alimentare cu combustibil sau abur a motorului primar. Reglarea frecvenței se face cu regulatoarele mecanice de turație ale motoarelor primare și cu regulatoarele de frecvență. Primul reacționează nemijlocit la schimbarea vitezei de rotație a motorului primar iar cel de al doilea la schimbarea parametrilor electrice ai generatorului produsă de modificarea frecvenței. În ambele cazuri se acționează asupra aceluiași element final de execuție care modifică alimentarea cu combustibil sau abur (în cazul turbinelor cu abur) a motorului primar.

La un dezechilibru între puterea produsă, și puterea consumată, , corespunzător unui anumit regim stabil de funcționare, intră în funcțiune regulatorul de turație sau de frecvență care acționează conform caracteristicilor lor statice de reglare.

Fig. 5.1 Caracteristicile regulatoarelor de frecvență

Pentru reglarea vitezei și frecvenței, precum și pentru distribuția sarcinii active între generatoarele care funcționează în paralel, se folosesc regulatoare de viteză și frecvență cu caracteristici de reglare astatice 1 sau statice 2 prezentate în figura 5.1.

Statismul caracteristicilor de reglare este:

(5.2)

sau

(5.3)

unde: – viteza unghiulară de rotație și frecvența la mersul în gol ideal

– viteza unghiulară de rotație și frecvența la sarcina nominală a generatorului.

De asemenea regulatoarele de viteză se mai caracterizează și prin gradul de uniformitate reprezentat de coeficientul:

(5.4)

unde: – viteza de rotație la mersul în gol ideal

– viteza de rotație la sarcina nominală

– viteza de rotație pentru jumătate din sarcina nominală.

Coeficientul de statism al caracteristicilor de reglare este:

(5.5)

sau

(5.6)

Din figura 5.1. rezultă:

(5.7)

(5.8)

Pentru caracteristica statică de reglare, coeficientul de statism își păstrează valoarea constantă la schimbarea puterii generatorului și ca urmare la mărirea puterii, frecvența se reduce iar la micșorarea puterii frecvența crește.

Ecuațiile (5.7) și (5.8) reprezintă ecuațiile de reglare după caracteristici statice și pot fi scrise sub forma generală:

(5.9)

Schemele de reglare automată a frecvenței generatoarelor cunosc o mare diversificare constructivă dată de firmele care le execută. Toate aceste scheme folosesc în esență următoarele principii de bază pentru reglarea frecvenței:

după abaterea mărimii reglate (turația)

după abaterea turației și variația sarcinii active

după variația parametrilor electrici ai generatoarelor (sarcina activă și frecvența)

După primul principiu lucrează regulatorul mecanic centrifugal care până în prezent este folosit pe scară largă în instalațiile navale. Pe baza celui de al doilea principiu sunt construite regulatoarele electromecanice cu două impulsuri: un impuls de la regulatorul mecanic centrifugal și al doilea în funcție de sarcina activă a generatorului. Al treilea principiu folosește traductoare de frecvență și de putere activă prin care se urmăresc parametrii electrici ai generatorului și în funcție de acest valori se execută reglarea .

Pentru toate sistemele de reglare elementul final de execuție acționează asupra consumului de combustibil sau abur pentru modificarea turației.

Reglarea automată și menținerea constantă a frecvenței în sistem trebuie să fie extinsă în tot domeniul puterilor agregatelor. Variația sarcinii cerută de consumatori și necesitatea existenței unei rezerve de putere se asigura, de regulă, prin folosirea mai multor agregate care lucrează în sistem. În legătură cu aceasta apare necesitatea distribuirii sarcinii active între agregate. Reglarea automată a frecvenței trebuie să asigure în același timp și distribuția echilibrată a sarcinii active între generatoarele care lucrează în paralel asigurând astfel funcționarea sistemului eficientă, cu consum minim de combustibil.

CAPITOLUL VI

CALCULUL DE ALEGERE A SECȚIUNII CABLURILOR ELECTRICE ȘI VERIFICAREA ACESTORA

6.1. CALCULUL SECȚIUNII CABLURILOR DE ALIMENTARE A TDA ȘI A CONSUMATORILOR ESENȚIALI

Orice rețea electrică trebuie să prezinte siguranță pentru viata oamenilor precum și împotriva pericolului unor incendii sau explozii. Una din condițiile care trebuie îndeplinite în acest scop este alegerea corectă a secțiunii conductoarelor și cablurilor ce alcătuiesc rețeaua ținând seama de încălzirea admisibilă și asigurarea protecție împotriva suprasarcinilor și scurtcircuitelor. Pentru distribuția energiei electrice se folosește sistemul radial, care asigură o siguranță sporită în alimentarea consumatorilor.

A.N.R. impune, sistemului de distribuție, anumite condiții astfel:

– pe nave se admite folosirea cablurilor cu propagare lentă a flăcării, de tip naval;

– în circuitele instalaților principale trebuie să se folosească cabluri și conductori multifilari, cu o arie a secțiunii transversale de minimum:

a) 1,5 mm2 circuitele de alimentare, comandă și semnalizare a instalațiilor de propulsie și guvernare;

b) 1mm2 pentru circuitele de alimentare și de comandă ale altor instalații decât cele menționate mai sus;

c) 0,75 mm2 pentru cercuitele de semnalizare interioară și de comunicații;

– temperatura maximă admisibilă pentru izolația conductorului cablului sau a conductorului trebuie să fie cal puțin cu 100C mai mare decât temperatura previzibilă a mediului ambiant;

– conductorii neizolați și barele neizolate se vor folosi numai pentru montaje interioare ale instalațiilor electrice. Montajul exterior cu conductori neizolați sau bare neizolate se admite numai cu condiția ca acestea să fie bine protejate prin apărători.

Rețeaua electrică trebuie astfel executată încât să poată asigura transportul energiei electrice spre consumatori cu pierderi de tensiune cât mai mici.

O pierdere de tensiune mare în rețea duce la funcționarea defectuasă a receptoarelor care au fost calculate să funcționeze la parametri optimi la tensiunea nominală de la rețea. Deoarece pentru o anumită lungime a rețelei pierderea de tensiune este invers proporțională cu aria secțiunii conductorului respectiv, rezultă că poate fi menținută în limite convenabile dacă secțiunea conductorului se alege în funcție de pierderea admisibilă de tensiune.

Pentru alegerea secțiunii conductoarelor din diferite porțiuni ale unei rețele electrice de joasă tensiune, în funcție de condițiile de încălzire admisibilă și de protecție la suprasarcină și scurtcircuit trebuie cunoscută sarcina acestei porțiuni de rețea, de asemenea pentru verificarea secțiunii astfel alese la pierderea de tensiune trebuie cunoscută și lungimea porțiunii de rețea. De aici rezultă că efectuarea calculelor secțiunii cablurilor unei rețele electrice trebuie începută prin întocmirea schemei de calcul în care se prezintă configurația rețelei respective și elementele ei componente. Această schemă este materializată prin schema monofilară a instalației electrice a navei.

La conectarea unei linii în sarcină, prin conductoarele ei circulă un curent care produce încălzirea lor. Conducto arele degajă căldură în mediul înconjurător. După o anumită durată de timp, conductoarele ajung la o temperatură constantă, de regim permanent, dacă nu variază curentul care le străbate.

O temperatură prea înaltă pentru un conductor izolat sau a unui cablu, provoacă o uzură rapidă și provoacă scăderea duratei de serviciu a instalației. Deosebit de periculoasă este supraîncălzirea instalației în cazul încăperilor în care există pericol de incendiu sau de explozie care pot fi provocate de o eventuală inflamare a instalației electrice. De aici rezultă clar necesitatea de a limita valoarea curentului care trece printr-un conductor, care face parte dintr-o rețea de tensiune dată, cu scopul ca temperatura maximă a conductorului său să nu depășească o anumită limită.

Calculul pentru alegerea secțiunii cablurilor de alimentare cu energie electrică a diverșilor consumatori se face, inițial (în prima etapă), în funcție de condițiile de încălzire ( se determină curentul de calcul) și se verifică funcție de căderile de tensiune admisibile.

Calculul secțiunii cablurilor de alimentare a tabloului de distribuție avarie de la generatorul sincron

Pentru cablul de conectare a generatorului la barele TDA curentul de calcul se consideră curentul nominal și se determină cu relația [1]:

,

în care:

Pgn este puterea nominală a generatorului în KW

Ugn este tensiunea nominală a generatorului în V,

cosφn este factorul de putere nominal.

Pentru generatorul sincron ales: Pgn=150 KW, Ugn=400 V, cosφn=0,8.

Se obține:

Din tabelul 10.3 din [1], se alege două cabluri cu secțiunea nominală a conductorului de 3x50mm2, conductoarele sunt conectate în paralel, curentul de lungă durată a conductoarelor cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă fiind 150 A, deci 300A pe cele două conductoare conectate în paralel.

Cablul secțiunii cablurilor ce alimentează consumatorii esențiali

Curenții de calcul pentru cablurile care conectează consumatorii individuali la TDA se determină cu relația [1]:

(A)

în care:

Pc nom este puterea nominală la axul motorului electric (KW);

Un – tensiunea nominală a rețelei (V);

cosφn – factorul de putere nominal al consumatorului;

η- randamentul consumatorului;

ks – factorul de încărcare al consumatorului.

În cazul în care se cunoaște puterea absorbită (cerută) de consumator, în regim nominal, expresia intensității curentului devine:

(A)

1) Instalația de guvernare

=20,56 (A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×4,0 mm2.

2) Instalația de iluminat CM

=8,77(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,5 mm2.

3) Motorul electric de antrenare a pompei de incendiu de avarie

=43,41(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×10,00 mm2.

4) Motorul electric de antrenare a pompei de santină

=44,12(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 10,00 mm2.

5) Instalația de iluminat general

=9,25(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,50 mm2.

6) Instalații radiocomunicații

=6,50(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,00 mm2.

7) Redresor încărcare acumulatori

=6,50(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,00 mm2.

8) Alimentarea cu energie electrică a girocompasului

=3,07(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,00 mm2.

9) Instalații comandă și semnalizare din panoul de navigație

=7,23(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,00 mm2.

10) Motorul electric de acționare a ventilatorului pentru compresorul DGA

=13,41(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 1,50 mm2.

11) Motorul electric de acționare a compresorului de aer avarie

=30,12(A)

Se alege din tabelul 10.3 din [1], un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×6,00 mm2.

6.2. VERIFICAREA CABLURILOR LA CĂDERILE ADMISIBILE DE TENSIUNE

Verificarea cablurilor alese se face la căderea de tensiunea în rețea, pentru fiecare secțiune de conductor în parte, considerând pentru o secțiune dată conductorul cel mai lung cu încărcarea cea mai mare posibilă, indiferent dacă este tabloul de distribuție avarie.

Căderea de tensiune nu trebuie să depășească :

– de 7% pentru instalațiile de forță;

– de 5% pentru cablul de alimentare al instalației de radionavigație și încărcarea bateriei de acumulatoare.

Lungimea fiecărui cablu este precizată în schema monofilara a instalației electrice de distribuție a navei.

Valoarea căderii de tensiune se determină cu relația:

∆U[%]

unde:

∆UI –căderea de tensiune pe linie[%]

I –curentul pe faza calculat [A]

l –lungimea cablului[m]

γcu = 48[m/mmΩ] – conductivitatea specifică a cuprului

S – secțiunea cablului[mm2]

U – tensiunea rețelei [V]

1. Secțiunea 3×1,00 mm2

Verificarea se face pentru tablou instalația girocompasului (situată la distanța cea mai mare de TDA)

l = 85 m; I = 3,07[A]

∆U =2,47[%]

∆U = 2,47% < 7,00%

2. Secțiunea 3×1,5mm2

Verificarea se face pentru motorul electric de antrenare a ventilatorului pentru compresorul DGA

l = 50m; I= 13,41[A]

∆U= 4,23 [%]

∆U = 4,23% < 7%

3. Secțiunea 3×4,00 mm2

Verificarea se face pentru cablurile de alimentare a instalației de guvernare.

l = 100m; I= 20,56[A]

∆U=4,87[%]

∆U =4,87 %<7%

4. Secțiunea 3×6,00mm2

Verificarea se face pentru motorul electric de acționare a compresorului de aer avarie

I = 70m; I= 30,12[A]

∆U= 3,33[%]

∆U = 3,33%<7%

5. Secțiunea 3x10mm2

Verificarea se face pentru motorul electric de antrenare a pompei de santină

l = 125m; I= 44,16[A]

∆U=[%]

∆U= 5,23 % < 7,00%

Pentru restul consumatorilor căderile de tensiune se consideră satisfăcătoare având în vedere că la aceleași secțiuni pentru care s-au făcut verificări, corespund lungimii și încărcări ale conductoarelor mai mici.

6.3. CALCUL DE ALEGERE A BARELOR TDA

Date inițiale:

– Rețea navală trifazată 3x380V;50Hz.

– Puterea nominală a generatorului 176 KVA, cosφn = 0,85, Un = 400V.

În primă etapă se calculează curentul de lucru de lungă durată care străbat barele și corespunzător se alege secțiunea barelor. În etapa a doua se verifică barele la stabilitate electrodinamică și termică la scurtcircuit. Această verificare se face după calculul curenților de scurtcircuit.

Alegerea barelor din T.D.A.

Curentul nominal debitat de generatorul sincron, pe barele T.D.A. este de Ign=272,7(A).

Curentul maxim debitat de generator se calculează pentru suprasarcina de 10% și este egal cu Im=300(A).

Se alege conform tabelului 10.6 din [1, pag. 430] bare din cupru cu dimensiunile secțiunii transversale:

Înălțimea: h=20 mm; lățimea: b=4mm; b/h=0,20

și respectiv secțiunea: s=20mmx4mm=80mm2; curentul admisibil: I (valoare efectivă)= 332 [A].

Se alege distanța dintre axe, conform figurii 6.1., a=a12=a23=a31/2=7cm=70mm, iar distanța dintre două puncte de sprijin l=60cm.

Fig. 6.1. Dispunerea barelor în T.D.A.

CAPITOLUL VII

CALCULUL CURENȚILOR DE SCURTCIRCUIT SIMETRIC PE BARELE TDA ȘI VERIFICAREA BARELOR LA STABILITATE ELECTRODINAMICĂ ȘI TERMICĂ

7.1. CALCULUL CURENȚILOR DE SCURTCIRCUIT SIMETRIC PE BARELE TDA

Se folosește metode grafo-analitică [1].

Calculul curenților de scurtcircuit se realizează după următorul algoritm:

1) Se realizează inițial schema care conține parametrii nominali pentru toate elementele sistemului electroenergetic și de asemenea se stabilesc punctele propuse pentru calculul curenților de scurtcircuit.

În figura 7.1. se prezintă schema echivalentă de calcul a curenților de scurtcircuit.

Fig. 7.1.

Se cunosc parametrii generatorului sincron MCK 102-4, 400V, 50 Hz.

Sn = 177 (KVA), Pn = 150 (KW), rg = 0,0972 (Ω), .

În capitolul anterior s-a calculat curentul nominal debitat de generator Ign = 272,7(A), iar legăturile dintre bornele GS și TDA sunt asigurate prin două cabluri, fiecare cablu având trei conductoare cu secțiunea de 50 mm2. Pe fiecare fază sunt conectate două conductoare în paralel. Fiecare conductor al cablului ( cu izolația din policlorură de vinil termorezistență +75C), cu secțiunea de 50 mm2, admite un curent de lungă durată de 150 (A), deci un curent pe fază de 300 (A).

Pentru secțiunea conductorului din cablu de 50 mm2, se scot rezistența liniară, r’ = 0,432 ( Ω/Km) și reactanța inductivă liniară x’ = 0,078 ( Ω/Km).

Pentru porțiunea de rețea de la generator la TDA, pe o fază, rezistența este:

,

iar ractanța:

.

Impedanțele contactelor înfășurate primare ale transformatoarelor de curent, aparatelor de măsurare și alte părți din circuitele generatoarelor se consideră egale cu impedanțele cablurilor de legătură dintre generatoare și TPA .

În aceste condiții, valorile totale ale rezistențtlor și reactanțelor pentru porțiunea de rețea de la generator la TPA, sunt:

și:

.

Pentru porțiunea de rețea de la TDA la punctul K1 se calculează rezistențele și reactanța, astfel:

Pentru secțiunea de 4,0 mm2 se scot valorile rezistenței liniare de 5,4 (Ω/Km) și reactanței liniare 0,101 (Ω/Km), rezultând, pentru porțiunea de circuit de 10 m, valoarea rezistenței 0,054 (Ω) și respective, valoarea reactanței 0,001 (Ω).

Impedanțele contactelor, barelor din cupru și aparatelor, pe această porțiune, se consideră că au rezistența 0,001 (Ω) și reactanța 0,0001 (Ω).

Astfel, pentru această porțiune de rețea rezistența totală este:

rc = 0,0055 (Ω),

iar reactanța este:

xc = 0,0011 (Ω).

2) Se întocmește schema echivalentă care conține rezistențele și reactanțele tuturor elementelor care intră în calcule. În această schemă, rezistențele și reactanțele se exprimă în unități relative.

În prealabil se stabilesc mărimile de bază în funcție de care se face raportare:

Puterea aparentă de bază:

Sb = Sn = 177 KVA;

Curentul de bază:

Ib = Ign = 272,7 A;

Tensiunea de bază:

Ub = 400 V.

Fig. 7.2. Schemele echivalente pentru determinarea impedanței rezultante:

a – forma de bază; b,c – transformări succesive pentru calculul impedanței rezultante

În continuare, se calculează în mărimi relative rezistențele și reactanțele schemei echivalente de bază din figura 7.2. a)

Rezistența înfășurării statorice a generatorului:

.

Reactanța raportată a generatorului, din catalog:

.

Rezistența raportată a porțiunii de rețea de la generator la TDA:

.

Reactanța raportată a porțiunii de rețea de la generator la TDA:

.

Rezistența raportată a porțiunii de rețea de la TDA la punctul de calcul K1:

Reactanța raportată pentru aceeași porțiune de rețea:

.

Pentru porțiunea de rețea de la TDA la punctul de calcul K1, impedanța rețelei exprimată în n∙r, este:

.

3) Se calculează impedanța rezultantă pentru fiecare punct de calcul al curenților de scurtcircuit.

– pentru punctul de calcul K:

Se adună, conform cu fig. 7.2. a), rezistențele și reactanțele de pe linia generatorului și se obține schema din figura 7.2. b).

.

.

Pentru punctul K de calcul al curentului de scurtcircuit, impedanța rezultantă în unități relative este:

Pentru punctul de calcul K1:

Impedanța rezultantă în punctul K1 este formată din:

,

,

iar impedanța corespunzătoare este:

.

4) Din curbele de calcul, în funcție de valorile impedanțelor rezultante determinate pentru fiecare punct de calcul se găsesc, în n∙r, valorile efective ale curenților de scurtcircuit pentru toate momentele de timp, de la t = 0 la t = ∞, considerate necesare.

– pentru punctul de calcul K, impedanța rezultantă este . Acestei valori îi corespund curenții: I*0 = 5,5 ; I*0,01 = 4,8 ; I*0,15 = 4,3 ; I*0,25 = 3,6 ;

– pentru punctul de calcul K1, impedanța rezultantă este și din graficele menționate se determină: I*0 = 5,3 ; I*0,01 = 4,5 ; I*0,15 = 4,1 ; I*0,25 = 3,1.

5) In funcție de raportul xrez / rrez se determină coeficientul de șoc, Kșoc :

– pentru punctul de calcul K:

. Pentru această valoare corespunde Kșoc = 1,16.

– pentru punctul de calcul K1:

.Pentru această valoare corespunde Kșoc=1,14.

6) Se determină valoarea căderii de tensiune de la punctul de scurtcircuit până la barele TDA, ΔU și se calculează, în unități relative, valorile efective ale curenților alimentați din TDA.

Pentru punctul K, căderea de tensiune este ΔU = 0. Curentul suplimentar creat de prezența motoarelor electrice este egal cu:

.

În cazul scurtcircuitului în punctul K1, căderea de tensiune de la barele TDA este:

și, corespunzător curentul produs de prezența motoarelor electrice va fi:

.

7) Se calculează valoarea maximă și valoarea maximă efectivă a curentului de șoc în punctele de calcul al curenților de scurtcircuit.

– pentru punctul de calcul K:

– pentru punctul de calcul K1:

Cele mai mari valori efective ale curenților de șoc, cu luarea în considerare a curentului suplimentar produs de motoarele electrice, sunt:

pentru punctul de calcul K, valoarea efectivă a curentului de șoc este:

– pentru punctul de calcul K1:

7.2. VERIFICAREA BARELOR LA STABILITATE ELECTRODINAMICĂ ȘI TERMICĂ

În subcapitolul 6.3. s-au stabilit dimensiunile barelor de cupru din TDA:

h = 20 mm; b = 4,0 mm; b/h = 0,20 mm,

și respectiv secțiunea S = 80 mm2 , curentul admisibil de lungă durată fiind 332 (A).

De asemenea, s-a stabilit distanța dintre axe a = 50 mm și distanța dintre două puncte de sprijin, l = 60 mm. Dispunerea barelor în TDA se prezintă în fig. 7.1.

În subcapitolul 7.1. s-a calculat curentul de scurtcircuit simetric ( în punctul K ) la barele TDA, rezultând valoarea maximă a curentului de șoc, ișocK = 3029,9 (A).

Scurtcircuitul simetric la barele TDA este necesar pentru verificarea barelor la stabilitatea electrodinamică și termică.

Verificarea barelor din TDA la stabilitate electrodinamică

Stabilitate electrodinamică reprezintă capacitatea barelor de a rezista acțiunii mecanice determinate de forțele electrodinamice produse de curenții de scurtcircuit.

Forța care solicită bara din mijloc se determină cu relația:

,

unde: imax = ișocK = 3029,9 (A);

K = 1,76 pentru scurtcircuite trifazate;

Kf – coeficientul de formă; se alege, în funcție de raportul a-b/h+b;

l = 60 mm – distanța dintre două puncte de sprijin;

a = 50 mm – distanța dintre axe.

Pentru

, rezultă Kf = 1,0 ( din curba pentru b/h = 0,25).

Rezultă :

.

Considerând bara ca o grindă simplă rezemată, cu sarcină uniform distribuită, momentul de încovoiere se calculează cu relația:

.

Efortul în bară este dat de relația:

,

în care ω este modulul de rezistență, care pentru modul de dispunere a barelor de secțiune dreptunghiulară ( pe muchie ) se calculează cu relația:

ω = 0,167 ∙ h ∙ b2 ∙ (0,4)2 = 0,053 (mm3).

Se obține:

.

Pentru bare de cupru, efortul admisibil este

.

Se îndeplinește condiția , deci barele din TDA corespund la forțele electrodinamice determinate de curenții de scurtcircuit simetric.

Verificarea barelor la stabilitate termică

Stabilitatea termică este asigurată dacă temperatura Qx produsă de curentul de scurtcircuit este mai mică sau cel mult egală cu temperatura maximă admisă pentru barele din cupru:

Valoarea maximă admisibilă, de scurtă durată, pentru barele din cupru este .

Condiția de stabilitate termică este:

Temperatura finală Qf , până la care barele sunt încălzite sub acțiunea curentului de scurtcircuit se determină cu ajutorul curbelor :

,

unde: se determină din graficul, în funcție de temperatura

inițială a barelor de cupru la producerea scurtcircuitului;

I∞ – este curentul de scurtcircuit permanent;

tf – timpul fictiv care reprezintă timpul în care curentul de scurtcircuit permanent ar

dezvolta o energie termică egală cu cea dezvoltată de curentul de scurtcircuit pe tot

timpul acțiunii sale.

Timpul fictiv are două componente:

tf = tfa + tfp ,

unde: tfa – este timpul fictiv corespunzător componentei aperiodice a curentului de

scurtcircuit. Se recomandă tfa = 0,05 (s);

tfp – este timpul fictiv corespunzător componentei periodice a curentului de scurtcircuit determinat din grafice, în funcție de parametrul β = IK’’/I∞ , în care IK’’ este component supratranzitorie a curentului de scurtcircuit.

Curentul de scurtcircuit permanent al generatorului se aproximează cu relația:

,

deci Ikp = I∞ = 818,1 (A).

În catalog se dă reactanța supratranzitorie longitudinală în n∙r:

și corespunzător, valoarea reactanței în (Ω) va fi:

.

Reactanța porțiunii de la generator la TDA este:

Xc = 0,0011 (Ω)

Reactanța întrerupătorului automat se consideră:

Xa = 0,06 ∙ 10-3 (Ω)

Reactanța supratranzitorie longitudinală echivalentă a generatorului este:

;

de unde:

.

În calculele practice se consideră că puterea motoarelor electrice cuplate simultan la rețea reprezintă 0,75 din puterea generatorului:

Sme = 0,75 ∙ 177 = 132 (KVA)

și corespunzător, intensitatea curentului:

,

iar valoarea reactanței tranzitorii directe va fi:

.

Reactanța supratranzitorie a defectului va fi:

.

Se calculează componenta supratranzitorie a curentului de scurtcircuit:

.

Se determină parametrul β :

și funcție de această valoare din curbele tfp = t(β), pentru t = 0,1 (s) de la începutul scurtcircuitului se obține:

tfp = 0,3 (s).

Se calculează timpul fictiv:

tf = tfa + tfp = 0,5 + 0,3 = 0,8 (s).

Având determinat tf , se calculează temperatura finală:

.

Pentru determinarea valorii AQnom , se consideră că temperatura nominală până la producerea scurtcircuitului, pentru barele de cupru, este Qnom = 90 C. Cu această valoare se obține valoarea AQnom = 1,74 ∙ 104

Se obține:

.

Din aceeași curbă, pentru valoarea AQx = 1,7011 ∙ 104 , se obține temperatura Qf = 100 C.

Se verifică condiția de stabilitate termică

.

CAPITOLUL VIII ALEGEREA APARATELOR DE PROTECȚIE, MĂSURĂ ȘI SEMNALIZARE DIN TDA

8.1. GENERALITĂȚI

În procesul exploatării sistemelor electroenergetice navale sunt posibile apariția unor regimuri anormale de lucru.

Pericolul cel mai mare pentru sistemele electroenergetice navale și pentru toate elementele acționărilor electrice îl reprezintă regimul anormal produs de apariția curenților de scurtcircuit. În oricare punct al sistemului curentul de scurtcircuit poate apare la deteriorarea izolației între conductoarele de curent, ca urmare a îmbătrânirii ei, sau la avarierea mecanică prin ruperea conductoarelor și conectarea între ele a conductoarelor de pe faze diferite sau prin acumularea de lichid (apă) în conductori de curent de polarități diferite, ș.a.

Punctul de scurtcircuit este caracterizat prin valoarea nulă a rezistenței. Valoarea curentului de scurtcircuit este limită numai de rezistența interioară a sursei și rezistența conductorilor electrici (bare, cabluri, aparate de conectare). Această valoare poate depăși de sute de ori valoarea nominală a curentului din elementul respectiv.

Sub acțiunea curenților de scurtcircuit apar forțe electrodinamice mari, capabile să deterioreze aparatul respectiv. Sub acțiunea curentului de scurtcircuit se produce foarte repede (în decurs de câteva secunde) creșterea temperaturii de încălzire a cablului până la câteva sute de grade și arderea izolației. Frecvent în punctul de scurtcircuit, în primul moment, apare arcul electric sub acțiunea căruia se aprind obiectele din apropiere, în deosebi vaporii produselor petroliere, dând naștere la incendii cu toate consecințele ce decurg din acestea.

Regimurile anormale produse de suprasarcinii sunt caracterizate de apariția curenților a căror valoare depășește până la de două ori valoarea nominală. Sub acțiunea acestor curenți temperatura de încălzire a conductorilor, în decurs de câteva minute (uneori zeci) atinge valori periculoase (circa ) ceea ce produce îmbătrânirea rapidă a materialelor izolante sau arderea lor. Ca urmare, regimul de suprasarcină, ca și regimul de scurtcircuit prezintă pericol de incendiu. Suprasarcinile, de obicei, sunt create de regimurile anormale de lucru tehnologice de mecanismelor cu acționarea electrică.

Supratensiunile care apar în funcționarea unor acționări electrice constituie de asemenea regimuri anormale caracterizate prin creșterea curenților peste limitele normale.

Protecția elementelor sistemului electroenergetic îndeplinește următoarele funcții:

la scurtcircuit, prin intermediul siguranțelor fuzibile sau întrerupătoarelor automate, decontează automat elementul deteriorat și astfel se restabilește regimul normal de lucru pentru celelalte elemente ale sistemului.

la apariția suprasarcinilor protecția acționează prin decontarea temporizată a instalațiilor care lucrează în suprasarcină sau prin semnalizare optică și acustică pentru o categorie de consumatori a căror menținere în funcțiune este importantă pentru siguranța navei (instalația de guvernare, pompa de incendiu de avarie).

Cerințele de bază ale protecției sistemelor electroenergetice navale sunt:

Selectivitatea constă în acțiunea protecției pentru deconectare numai a elementului deteriorat. Prin aceasta se asigură menținerea funcționării normale a celorlalte componente ale sistemului.

Acțiune rapidă – pentru deconectarea elementului avariat. Deconectarea rapidă a scurtcircuitelor asigură: reducerea dimensiunilor avariei la apariția arcului electric și a forțelor electrodinamice, micșorarea timpului de lucru cu tensiune redusă a consumatorilor rămași în funcțiune. Datorită acțiunii rapide a protecției și intrării automate în funcțiune a rezervei de energiei electrică, practic, consumatorii nu sesizează pauza în alimentarea cu energie electrică.

În cazul regimurilor anormale produse de suprasarcini protecția nu trebuie să acționeze rapid, întrucât, pe de o parte, suprasarcina poate fi admisă pe o durată limitată fără a pune în pericol instalația, iar pe de altă parte, este posibil ca suprasarcina apărută să se datoreze unui șoc trecător de scurtă durată. Din aceste motive protecția la suprasarcină prin deconectarea consumatorului acționează cu întârziere de timp.

Sensibilitatea se exprimă prin coeficientul de sensibilitate care reprezintă, de exemplu pentru protecția care reacționează la curent, raportul între mărimea curentului de scurtcircuit din zona protejată și curentul la care acționează protecția. Din acest punct de vedere, protecția trebuie să fie suficient de sensibilă la avarii și regimuri anormale de funcționare care pot să apară în elementele protejate.

Siguranța în funcțiune. Este foarte important ca protecția să fie permanent gata de funcționare în cazul apariției avariilor și regimurilor anormale de lucru. În acest scop schemele de protecție trebuie să fie simple, aparatura folosită să aibă calități înalte în condiții de exploatare corespunzătoare.

Pentru protecția sistemelor electroenergetice și elementelor lor la scurtcircuit și suprasarcini se folosesc întrerupătoare automate și siguranțefuzibile. Întrerupătoarele automate sunt prevăzute cu declanșatoare maximale, adică relee electromagnetice, termice sau electronice, care la valoarea reglată a curentului de suprasarcină sau a curentului de scurtcircuit dau impuls de deschidere a contactelor principale, prevăzute cu dispozitive de stingere a arcului. Siguranțele fuzibile, la valoarea curentului stabilit pentru acționare, întrerup circuitul prin arderea fuzibilului. Pentru circuite de puteri mari se folosesc siguranțe speciale cu mare putere de rupere tip MPR.

8.2. PROTECȚIA REȚELEI DE DISTRIBUȚIE A ENERGIEI ELECTRICE

În rețelele electrice de distribuție pot apare două regimuri anormale de lucru: scurtcircuitul și suprasarcina. În ambele cazuri cablurile rețelei sunt parcurse de curenți care depășesc valorile nominale pentru care a fost stabilită secțiunea cablurilor. Sub acțiunea acestor curenți se scurtează durata de serviciu a cablurilor.

Protecția rețelei de distribuție a energiei electrice, așa cum se prezintă în figura 8.1., se realizează pe secțiuni separate.

Fig. 8.1. Schema protecției rețelei de distribuție a energiei electrice la suprasarcini și scurtcircuite

Protecția la suprasarcină și scurtcircuite pentru secțiunea de la generator, , la tabloul principal de distribuție, TPD, este calculată pentru curentul nominal debitat de generator și se asigura cu aparatura de protecție a generatorului. Protecțiile pe secțiunile de rețea între TPD și consumatori precum și între tablourile de distribuție, TD și consumatori sunt calculate în funcție de curenții nominali ai consumatorilor. Protecția acestor secțiuni se realizează cu aparatele care protejează consumatorii. Pe secțiunea dintre TPD și TD cablul este calculat pentru suma consumatorilor conectați la TD.

Curentul de scurtcircuit poate apare în oricare punct al rețelei de distribuție a energiei electrice. În cazul în care scurtcircuitul se produce în punctul (figura 8.1) curentul de scurtcircuit, i.s.c., parcurge traseul de la generatorul până în punctul trecând pe rând prin toate secțiunile rețelei și întrerupătoarele automate . Valoarea curentului de scurtcircuit depășește, de regulă, valorile curenților stabiliți pentru acționarea aparatelor de protecție și ca urmare toate primesc impuls de acționare.

Pentru a evita decuplarea întregului sistem electric atunci când se produce un scurtcircuit, aparatele de protecție trebuie să asigure selectivitate la decuplarea secțiunilor de rețea. În cazul dat se deconectează numai automatul care este cel mai apropiat de punctul de scurtcircuit.

În principiu, selectivitatea protecției rețelei la scurtcircuite se obține prin reglarea curenților de acționare pentru aparatele de protecție. Acest procedeu se aplică în cazul protecției cu siguranțe fuzibile.

În cazul folosirii pentru protecție a întrerupătoarelor automate, selectivitatea protecției poate fi realizată prin reglarea timpilor de acționare la deconectare în zona scurtcircuitului corespunzător cu caracteristica timp – curent a întrerupătorului automat. La folosirea acestui sistem selectivitatea se obține prin micșorarea timpului de decuplare al automatelor de la sursă spre consumator, adică trebuie să se realizeze condiția ș.a.m.d. În aceste condiții, în cazul scurtcircuitului în punctul primul aparat care deconectează este . Dacă scurtcircuitul este în punctul , primul aparat care deconectează este ș.a.m.d.

Întrerupătoarele automate folosite pentru protecție sunt de diferite tipuri constructive, în funcție de firmele care le produc . În general timpii de acționare ale acestora pot fi reglați pentru sau .

Pentru scurtarea duratei de menținere a scurtcircuitului, în cazul în care timpul de declanșare al automatului nu este mai mic de , se folosesc pentru protecția rețelelor întrerupătoare automate și siguranțe fuzibile. În această situație protecția la scurtcircuit este asigurată de siguranțele fuzibile al căror timp de acționare este în limitele iar la suprasarcină de către întrerupătorul automat.

Selectivitatea după curent a protecției rețelei se asigură prin faptul că aparatele dispuse în apropierea scurtcircuitului se reglează pentru un curent de declanșare mai mic decât aparatele dispuse mai departe de punctul de scurtcircuit. Prin aceasta se asigura ca la scurtcircuit să declanșeze cel mai apropiat aparat, iar cele mai depărtate nu vor reacționa . De exemplu, pentru schema din figura 8.1, protecția după curent este asigurată dacă:

unde: – curentul de acționare al aparatului 2

– curentul de acționare al aparatului 3

– curentul de scurtcircuit în punctul .

La scurtcircuit în punctul selectivitatea după curent, asigură:

unde: este curentul de scurtcircuit în punctul .

Selectivitatea protecției după curent se folosește în unele cazuri în care nu este rațional să se folosească automate selective în raport cu timpul care au gabarite și costuri ridicate și de asemenea în cazurile când rețeaua are multe porțiuni înseriate, iar folosirea protecției selective în raport cu timpul necesită mai mult de trepte.

Pentru asigurarea selectivității după curent se folosesc de obicei automate neselective și siguranțe. La scurtcircuite selectivitatea după curent este asigurată de arderea siguranțelor iar automatul nu lucrează. După cum arată experiența siguranțele asigură o bună selectivitate a protecției după curent atunci când la conectarea în serie a treptelor de protecție valorile curenților de acționare se deosebesc unul față de celălalt de ori.

Trebuie menționat că pentru realizarea protecției după curent este necesar să se efectueze în prealabil calculul curenților de scurtcircuit în rețeaua electrică și pe această bază se efectuează alegerea aparatelor. Selectivitatea protecției după timp presupune costuri mai ridicate dar, în același timp, este mai sigură în comparație cu selectivitatea după curent.

8.3. PROTECȚIA GENERATOARELOR

În procesul exploatării generatoarelor electrice sunt posibile apariția unor regimuri anormale de lucru. În continuare se prezintă câteva forme de avarii posibile și regimuri anormale:

scurcircuitarea spirelor înfășurării de excitație prin scurtcircuit între spire sau punerea la masă în două puncte. Efectul este stricarea simetriei câmpului magnetic și producerea vibrațiilor mașini

avarierea înfășurării induse de pe stator ca urmare a deteriorării izolației acesteia. În acest caz apariția arcului electric conduce la deteriorarea miezului de fier, aprinderea izolației înfășurărilor și declanșarea incendiului în generator

regimul anormal produs de șocul curentului datorat unor scurtcircuite exterioare

regimul anormal care apare la trecerea generatorului în regim de motor. Acest regim poate apare la funcționarea în paralel a generatoarelor.

Avariile generatoarelor pot duce la deteriorarea funcționării fără întrerupere a celorlalte părți ale sistemului electroenergetic.

Pentru a asigura funcționarea normală a centralelor electrice navale, generatoarele sunt prevăzute cu următoarele protecții:

protecția de curent la scurtcircuite exterioare și suprasarcini

protecția de putere inversă

protecția diferențială la scurtcircuite interioare

protecția de punerea la masă a unei faze. Se asigură prin controlul permanent al stării izolației

automat de stingere a câmpului magnetic. Rolul și funcțiile automatului de stingere a câmpului au fost anterior.

PROTECȚIA LA SCURTCIRCUITE EXTERIOARE ȘI SUPRASARCINI

Curenți mari care apar la scurtcircuite exterioare sunt produși la atingerea între conductorii de pe faze diferite sau între barele TPD ca urmare a deteriorării rezistenței de izolație.

La producerea scurtcircuitului, protecția generatorului trebuie să acționeze rapid prin deconectarea generatorului. În acest scop întrerupătoarele automate folosite pentru cuplarea generatoarelor la barele TPD sunt prevăzute cu relee maximale de protecție.

În figura 8.2 se prezintă schema electrică de principiu a unui întrerupător automat tip OROMAX.

La aplicarea tensiunii de comandă prin contactele închise CB și CF este alimentat motorul electric, M, de armare a resoartelor. După terminarea armării resoartelor se deschide contactul CF prin care se întrerupe alimentarea motorului electric și se închide contactul CF (5-6) prin care se alimentează lampa de semnalizare „Resoarte armate”.

Comanda de cuplare a întrerupătorului se dă prin apăsarea pe butonul I. Este alimentat electromagnetul de închidere EI (1-2) care efectuează cuplarea întrerupătorului automat. În prezența tensiunii nominale, declanșatorul de tensiune minimă, DTm, execută prin acționarea unui clichet blocare întrerupătorului în poziția închis, menținându-se situația și după încetarea apăsării butonului „I”. Cuplarea întrerupătorului automat este semnalizată de stingerea lămpii LR (lumină roșie) și aprinderea lămpii LV (lumină verde).

Fig. 8.2. Întrerupătorul automat OROMAX: 1 – schema electrică de comandă; 2 – schema electrică de legături

Legendă:

Pentru deconectarea voită a întrerupătorului se apasă pe butonul „O” din circuitul electromagnetului de deschidere, ED. Este alimentat electromagnetul ED care realizează deconectarea întrerupătorului automat. În cazul în care, pe timpul funcționării, deconectarea se face automat ca urmare a acțiunii protecției, se întrerupe circuitul de alimentare al declanșatorului de tensiune minimă, DTm, se înlătură blocarea mecanică și sub acțiunea resoartelor se realizează deconectarea întrerupătorului automat. Declanșatorul de tensiune minimă, DTm, acționează la scăderea tensiunii de alimentare sub 0,7 Un sau la anularea acesteia. Protecțiile la scurtcircuite și suprasarcini realizează deconectarea întrerupătorului automat acționând indirect prin intermediul declanșatorului de tensiune minimă. În caz de scurtcircuite sau suprasarcini se deschid contactele acestor relee „O” și se întrerupe circuitul de alimentare al declanșatorului de tensiune minimă care realizează deconectarea întrerupătorului automat. Deconectarea automată ca urmare a acțiunii protecției este semnalizată prin comutarea contactelor CDS. Se deschide contactul CSD (1-3), se stinge lampa de semnalizare cu lumină albă și se închide contactul CSD (1-2) care aprinde lampa de semnalizare cu lumină roșie indicând faptul că deconectarea întrerupătorului automat s-a făcut ca urmare a acțiunii protecției.

Caracteristicile tehnice ale întrerupătoarelor automate din seria OROMAX sunt prezentate în tabelul 8.1. Tabelul 8.1

Suprasarcina generatoarelor se poate produce la apariția uneia sau mai multe din următoarele cauze: pornirea unor motoare asincrone de putere mare, repartiția neuniformă a sarcini între generatoare, decuplarea de la funcționarea în paralel a unui generator, creșterea sarcini cerută de consumatori.

Depășirea curentului nominal, în cazul suprasarcinii, până la de 2 ori valoarea nominală, poate fi suportată un timp limitat fără a pune în pericol generatorul. Protecția la suprasarcină trebuie să acționeze temporizat pentru a evita acțiunea acesteia în cazul unor șocuri de scurtă durată cum ar fi cele create de pornirea unui motor asincron de putere mare.

În cazul apariției suprasarcinii la un generator, deconectarea acestuia de către protecție ar duce la supraîncărcarea generatoarelor rămase în funcțiune și astfel rând pe rând sunt deconectate toate generatoarele care funcționează în paralel rezultând în final scoaterea centralei electrice din funcționare. Pentru a evita o asemenea situație, temporizarea acțiunii protecției, permite în unele cazuri, intervenția personalului de serviciu pentru reducerea sarcinii prin deconectarea unor consumatori neesențiali, iar în alte cazuri, această deconectare se face automat la apariția suprasarcinii.

În figura 8.3. se prezintă o schemă de protecție selectivă la suprasarcină.

În schema din fig. 8.3 pentru protecția selectiva la suprasarcină se folosesc releele electromagnetice de curent d1, d2, d3 conectate pe curenți de fază ai generatorului, releul intermediar d4, releele de timp d5, d6, d7 și declanșatoarele de tensiune minimă aparținând întrerupătoarelor automate a1, a2, a3 care conectează grupele de consumatori I, II, III enumerate în ordinea crescătoare a importanței lor.

Protecția de suprasarcină acționează la depășirea curentului nominal. Curentul de acționare al releelor de curent este:

(8.1.)

Prin închiderea uneia sau mai multe din contactele releelor este alimentat releul intermediar . La închiderea contactului sunt puse sub tensiune releele de timp. Releele de timp sunt reglate cu întârzieri diferite astfel că după 4 s acționează primul releu și prin deschiderea contactului său întrerupe alimentarea declanșatorului de tensiune minimă care provoacă deconectarea întrerupătorului automat .

În cazul în care după deconectarea grupei I de consumatori suprasarcina continuă să se mențină, atunci după 8s acționează releul de timp și se decuplează a doua grupă de consumatori. Dacă suprasarcina continuă mai mult de 14 s intră în acțiune și releul care deconectează a treia grupă de consumatori.

Figura 8.3 Schema de protecție selectivă la suprasarcină

Deconectarea în trepte a grupelor de consumatori permite eliminarea suprasarcinii, preîntâmpină scoaterea de sub tensiune a centralei electrice și asigură funcționarea fără întrerupere a consumatorilor esențiali pentru siguranța navei.

În situații mai deosebite dacă în urma acțiunii protecției selective de suprasarcină aceasta continuă să se mențină, atunci, după 20s intră în funcțiune și releul care decuplează generatorul de la barele TPD.

PROTECȚIA LA PUTERE INVERSĂ

Dezvoltarea sistemelor electroenergetice navale ca urmare a trecerii treptate la etape superioare de automatizare complexa a proceselor ce se desfășoară la bordul navelor, a condus la creșterea consumului de energie electrică. Pentru acoperirea necesarului de consum în centralele electrice funcționează în paralel mai multe generatoare.

La funcționarea în paralel a generatoarelor apare posibilitatea treceri unui generator în regim de motor atunci când tensiunea produsă de acesta este mai mică decât tensiunea de la barele TPD produsă de celelalte generatoare. Scăderea tensiunii generatorului și trecerea lui în regim de motor poate fi cauzată de avarii produse la motorul primar de antrenare (întreruperea alimentării cu combustibil, deteriorarea cuplajului mecanic dintre motor și generator) sau pe partea electrică (întreruperea excitației generatorului). În astfel de cazuri, generatorul fiind cuplat în paralel cu alte generatoare, trece în regim de motor și devine consumator de energie electrică.

Funcționarea generatorului în regim de motor nu este admisă și el trebuie să fie deconectat pentru a nu încărca generatoarele aflate in funcționare normală În acest scop generatoarele navale sunt prevăzute cu protecție la putere inversă.

În centralele electrice de curent alternativ protecția la putere inversă se realizează după mărimea curentului și după faza acestuia comparativ cu faza tensiuni de la bare. Protecția la putere inversă în centralele electrice de curent continuu acționează în funcție de mărimea curentului și de sensul acestuia în comparație cu tensiunea de la bare.

Protecția generatoarelor de curent alternativ la putere inversă se realizează frecvent cu relee construite dup principiul inducției electromagnetice. În fig. 8.4 se prezintă schema de protecție la putere inversă pentru un generator de curent alternativ realizată în variantele: cu releu de inducție și cu releu cu semiconductoare.

Fig. 8.4 schema de protecție a generatorului la putere inversă

a – cu releu de inducție, b – cu elemente semiconductoare.

În figura 8.5. se prezintă schema sistemului magnetic al releului de inducție.

Fig. 8.5 Circuitul magnetic al releului de inducție (a) și diagrama fazorială a tensiunii și curenților (b)

Circuitul magnetic este alcătuit din miezurile 1, 2 și discul de aluminiu 3 dispus între miezuri și fixat pe un ax. Sistemul de contacte ale releului, care nu este arătat pe figură, este alcătuit dintr-un contact mobil fixat pe axul discului.

Releul are două înfășurări: înfășurarea de curent 4 dispusă pe miezul superior 1 și conectată în circuitul secundar al transformatorului de curent montat în circuitul generatorului și înfășurarea de tensiune 5 dispusă pe miezul inferior și conectată la transformatorul de tensiune.

În figura 8.5.b. se prezintă diagrama vectorială a tensiunilor și curenților. Curentul Ir al înfășurării de curent este în urma tensiunii Ur cu unghiul . Curentul din înfășurarea de tensiune este defazat față de tensiune cu un unghi oarecare, , dependent de raportul între rezistența și reactanța înfășurării de tensiune. Fluxurile și create de curenții și sunt defazate în raport cu curenții, cu un unghi determinat de pierderile în fier ale circuitului magnetic. În acest fel în dispozitivul de inducție există două câmpuri decalate în spațiu cu un unghi de 90o și ca fază cu unghiul.

Curenții induși de câmpurile în discul de aluminiu determină un moment de rotație al acestuia.

(8.2)

În funcționare normală, atunci când geratorul debitează curent și putere în rețea momentul de rotație exercitat asupra discului acționează în sensul de deschidere a contactelor.

La trecerea generatorului în regim de motor se schimbă cu 180o sensul curentului , se inversează sensul cuplului de rotație și discul releului se rotește în sens contrar, adică în sensul de închidere a contactelor releului. Întârzierea de timp a releului este reglată în funcție de distanța care trebuie parcursă de disc până în momentul închiderii contactelor. Prin închiderea contactului releului se dă impulsul de declanșare a întrerupătorului automat și generatorul este decuplat de la bare.

Releul de putere inversă poate fi reglat pentru a acționa la o putere inversă egală cu 6,9 sau 12% din puterea nominală.

Releul de putere inversă de tip inductiv prezintă unele neajunsuri cum ar fi: inerție mare, precizie redusă în stabilirea parametrilor de acționare, dependență de frecvență, acționare eronată la șocuri sau vibrații mari, ș.a.

În ultimul timp își găsesc o aplicație largă releele de putere inversă cu semiconductoare. Un exemplu îl reprezintă schema prezentată în figura 8.4.b.

Releul de putere inversă cu semiconductoare este realizat după principiu redresorului sensibil la fază și se compune din: transformatorii Tr1, Tr2, redresorii și elementul de execuție compus din releele .

În conformitate cu schema de conectare, primarul transformatorului este parcurs de un curent proporțional valoarea curentului debitat de generator iar primarul transformatorului este alimentat de la tensiunea generatorului și este parcurs de un curent proporțional cu aceasta.

Întrucât redresorul este conectat la suma geometrică a tensiunilor.

(8.3)

iar redresorul la diferența geometrică a tensiunilor .

(8.4)

rezultă că :

(8.5)

La trecerea generatorului în regim de motor se modifică cu 180o faza curentului având ca rezultat schimbarea raportului între tensiunile redresate și relația (8.5) devine:

(8.6)

Releul este un releu de curent continuu și acționează în funcție de sensul curentului redresat. Acest releu este astfel reglat încât anclanșează atunci când sensul puterii este invers, adică de la barele centralei spre generator. Prin intermediul releului de timp, , se stabilește întârzierea necesară la deconectarea generatorului care lucrează în regim de motor.

Protecția la putere inversă a generatoarelor de curent continuu se realizează cu relee electrodinamice, electromagnetice sau magnetoelectrice de curent invers.

La trecerea generatorului de curent continuu în regim de motor se inversează sensul curentului. Acest fenomen este utilizat pentru protecție de putere inversă. În figura 8.6. se prezintă schema unui releu de curent invers de tip electrodinamic.

Fig. 8.6. Schema de principiu a unui releu de curent invers de tip electrodinamic

Pe miezul electromagnetic 1 este dispusă înfășurarea de curent 2 conectată în serie în circuitul generatorului. Înfășurarea de tensiune 3 se dispune pe rotorul 4 și se conectează la tensiunea rețelei. Rotorul releului este fixat pe axul 5 și se poate roti cu un unghi oarecare.

În regim normal de lucru interacțiunea dintre câmpurile magnetice ale înfășurărilor de curent și de tensiune creează un cuplu care este compensat resortul 6 și drept urmare contactul 7 este deschis.

La trecerea generatorului în regim de motor, se schimbă sensul curentului prin generator și deci și sensul curentului prin înfășurarea de curent a releului. Cuplul de rotație își schimbă sensul și sub acțiunea resortului se închide contactul 7. Prin închiderea contactului releului, se dă impulsul de declanșare al întrerupătorului automat și generatorul este deconectat de la bare. Valoarea curentului invers de acționare a protecției de putere inversă, de regulă, se alege .

CONCLUZII

Centrala electrică de avarie a unei nave joacă un rol foarte important, pe navă. Aceasta asigură energia consumatorilor esențiali în cazul în care diesel-generatoarele principale ale navei sunt în imposibilitatea de a funcționa în parametrii. Aceste lucruri au condus la realizarea prezentului proiect care realizează calculul de proiectare a centralei electrice de avarie pentru o navă cargou de 8700 tdw.

Pentru îndeplinirea scopului propus s-au prezentat inițial câteva aspecte privind rolul transportului maritim în economia mondială, am prezentat câteva definiții ale unor noțiuni de mărfuri generale și am prezentat caracteristicile principale ale navei în cauză și anume:

– LOA ……………………………………………………………………130,86 m;

– lățime …………………………………………………………………….17,7 m;

– înălțime de construcție ……………………………………………10,2 m;

– pescaj ……………………………………………………………………..8,1 m;

– deplasament …………………………………………………………….12.350 t;

– deadweight ……………………………………………………………8.650 t.

O clasificarea a sistemelor electroenergetice navale, după trei criterii, este:

după numărul centralelor electrice care compun SEN;

în funcție de legătura dintre SEN și sistemul energetic de putere destinat pentru a propulsia navei;

în funcție de sistemul de distribuție al energiei electrice.

În cadrul capitolului doi, s-a realizat alegerea parametrilor energiei electrice.

Folosirea curentului continuu creează multe avantaje, dar și dezavantaje. Dintre avantaje enumerăm:

– acționările și conexiunile sunt mai ușor de supravegheat;

– aparatura de măsură și control este foarte simplă;

– regimurile și reglările de tensiune ale generatoarelor se fac mult mai simplu.

Dezavantajele ar fi următoarele:

– necesarul de spațiu considerabil;

– preț mare al mașinilor de curent continuu față de cele de curent alternativ;

– întreținerea continuă condiționată de uzura colectoarelor și periilor, arderii contactelor aparatelor de comandă din cauza formării mai intense de scântei.

S-a realizat bilanțul energetic al consumatorilor esențiali alimentați de la tabloul de distribuție de avarie ( TDA ).

Pentru nava cargou, regimurile de funcționare cele mai întâlnite sunt:

Regimul de staționare fără operații de încărcare-descărcare.

Regimul de staționare cu operații de încărcare-descărcare.

Regimul de manevră.

Regimul de marș.

Regimul de avarie.

Prin metoda tabelară s-au prezentat consumatorii esențiali care sunt alimentați din tabloul de distribuție avarie și se prezintă bilanțul energetic al centralei electrice de avarie, în finalul capitolului.

Corespunzător bilanțului energetic se alege un generator sincron cu , iar , .

Se alege generatorul sincron de tipul MCK 102 – 4 cu , , n=1500 rpm, conexiunea stea ( pentru ).

În capitolul patru am vorbit despre reglarea automată a tensiunii și puterii reactive.

Ca și sisteme de compoundare a generatoarelor sincrone, enumerăm următoarele:

compoundarea după current;

compoundare fazică.

Despre reglarea automată a frecvenței s-a discutat în cadrul capitolului următor. Spre deosebire de reglarea tensiunii, reglarea frecvenței trebuie să asigure o singură frecvență pentru tot sistemul, independent de distribuția sarcinii active între agregatele generatoare.

Scopul reglării automate a frecvenței și distribuției puterii active între generatoare este obținerea eficienței economice și siguranță ridicată în funcționare, atât în regimuri normale cât și în regim de avarie.

Calculul de alegere a secțiunii cablurilor electrice și verificarea acestora a fost prezentat în cadrul capitolului șase.

Pentru generatorul sincron ales, avem Ign = 272,7 (A) și se aleg două cabluri cu secțiunea nominală a conductorului de 3x50mm2, conductoarele sunt conectate în paralel, curentul de lungă durată a conductoarelor cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă fiind 150 A, deci 300A pe cele două conductoare conectate în paralel.

Pentru instalația de guvernare, se alege un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×4,0 mm2, pentru instalația de iluminat CM, se alege un cablu cu secțiunea nominală a conductorului de 3×1,5 mm2, iar pentru motorul electric de acționare a compresorului de aer avarie, se alege un cablu cu izolație de policlorură de vinilin termorezistentă cu secțiunea nominală a conductorului de 3×6,00 mm2.

Calculul curenților de scurtcircuit se realizează după următorul algoritm, în capitolul șapte:

1) Se realizează inițial schema care conține parametrii nominali pentru toate elementele sistemului electroenergetic;

2) Se întocmește schema echivalentă care conține rezistențele și reactanțele tuturor elementelor care intră în calculi;

3) Se calculează impedanța rezultantă pentru fiecare punct de calcul al curenților de scurtcircuit;

4) Din curbele de calcul prezentate, se găsesc valorile efective ale curenților de scurtcircuit pentru toate momentele de timp, de la t = 0 la t = ∞;

5) Se determină coeficientul de șoc, Kșoc = 1,16;

6) Se determină valoarea căderii de tensiune de la punctul de scurtcircuit până la barele TDA;

7) Se calculează valoarea maximă și valoarea maximă efectivă a curentului de șoc în punctele de calcul al curenților de scurtcircuit, ișocK = 3625,9 (A).

Alegerea aparatelor de protecție, măsură și semnalizare din TDA am prezentat-o în cadrul capitolului opt.

Prin cantitatea mare de informații prezentate, prin schemele și algoritmii de calcul propuși, lucrarea se constituie într-un document valoros în pregătirea studenților, dar se adresează și absolventilor care doresc să își îmbunătățească cunostințele în domeniu.