Nava De Pasageri Cu 400 De Locuri. Modelarea Propulsiei Electrice Cu Motoare Sincrone [606583]

Licență

Nava De Pasageri Cu 400 De Locuri. Modelarea Propulsiei Electrice Cu Motoare Sincrone [606583]

Byadmin ianuarie 1, 2024

ACADEMIA NAVAL Ă "MIRCEA CEL B ĂTRÂN"
FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ

LUCRARE DE DISERTA ŢIE

CONDUC ĂTOR ŞTIINŢIFIC:
Cdor. Prof. Univ. Dr. Ing. DOBREF VASILE

ABSOLVENT: [anonimizat]. ANDRONIC ROBERT MARIUS

CONSTAN ŢA
2017

ACADEMIA NAVAL Ă "MIRCEA CEL B ĂTRÂN"
FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ

LUCRARE DE DISERTA ŢIE

CONDUC ĂTOR ŞTIINŢIFIC:
Cdor. Prof. Univ. Dr. Ing. DOBREF VASILE

ABSOLVENT: [anonimizat]. Andronic Robert Marius

CONSTAN ŢA
2017

ACADEMIA NAVAL Ă "MIRCEA CEL B ĂTRÂN"
FACULTATEA DE INGINERIE MARINĂ

LUCRARE DE DISERTA ŢIE
TEMA: NAVĂ DE PASAGERI CU 400 DE LOCURI.
MODELAREA PROPULSIEI ELECTRICE CU
MOTOARE SINCRONE

CONDUC ĂTOR ŞTIIN ŢIFIC:
Cdor. Prof. Univ. Dr. Ing. DOBREF VASILE

ABSOLVENT: [anonimizat]. ANDRONIC ROBERT MARIUS

CONSTAN ŢA
2017

Abstract

The paper presents aspects and trends in ship propulsion. Two propulsion systems have
been reviewed: pod -propulsion and azimuthing thrusters. Pod – propulsion is an industry standard
today in passenger cruise and has been applied also for product tankers, icebreakers and offshore
vessels. Space saving is obvious, big propulsion motors are moved from the tank top outside the
ship. An azimuthing thruster replaces a conventional propulsion and rudder steering system, which
perform both the propulsion and steering function. Since the middle of the 1990´s pod propulsion
in marine applications have become common.
The whole propulsion unit is located outside of the hull and the azimuth thruster has
unlimited steering possibility. Unique to azimuth thrusters are that the propulsion can be achieved
completely e lectrically and that the Azipod is a pulling propeller unlike conventional propelle rs,
which are pushing. These characteristics increase the energy efficiency of a ship.
The electrical system in pod propulsion normally consists of a transformer, a frequency
converter and an electric motor. The transformer is used to divide the system i nto several parts in
order to obtain different voltage levels but also for phase shift voltages for the used rectifiers. The
purpose of the frequency converter is to control the speed and torque of the motor by changing a
constant frequency from the main g enerator into variable frequency for the motor. The electric
motor is used for conversion from electrical to mechanical power for the propeller.
Azipod has a synchronous motor controlled by a cyc loconverter and dry type transformer.
There is also a dry ty pe transformer and a synchronous motor controlled by a load commutated
inverter (LCI).
The biggest change in pod propulsion within the foreseeable future is a switch to voltage
source inverter with pulse -width -modulation (VSI -PWM). Permanent magnet synch ronous motors
(PMSM) are an alternative in smaller pods and the development of magnets can make PMSM to
an alternative for bigger pods.

Rezumat

Lucrarea prezintă aspecte și tendințe în propulsia navelor. Două sisteme de propulsie au
fost revizuite : propulsia POD și AZIPOD . Propulsia Pod este un standard industrial în prezent în
navele de croazieră și a fost aplicată și pentru tancurile petroliere, spargatoarele de gheată și vasele
de aprovizionare. Economisirea spațiului este evidentă, motoarele de propulsie mari sunt mutate
din compartimentul mașină în afara navei. Un propulsor de direcție azimutal înlocuiește un sistem
convențional de propulsie și de guvernare, care efectuează atât funcția de propulsie, cât și funcția
de direcție. De la mijlocul a nilor 1990 propulsia POD în aplicații marine a devenit comună.
Întreaga unitate de propulsie este situată în afară corpului, iar propulsorul azimut are
posibilitatea de a manevra nelimitat. Propuls ia unică pentr u propulsia azimutului este acee a că
propulsia poate fi realizată complet electric și că Azipodul este o elice de tracțiune, spre deosebire
de elicele convenționale care împing. Aceste caracteristici măresc eficiența energetică a unei nave.
Sistemul electric în propulsia podului constă, în mod normal, dintr -un transformator, un
cicloconvertor de frecventă și un motor electric. Transformatorul este utilizat pentru a diviza
sistemul în mai multe părti pentru a obține diferite nivele de tensiune, dar și pentru tensiuni de
schimbare de fază pent ru redresoarele utilizate. Scopul cicloconvertorului este de a controla viteza
și cuplul motorului schimbând o frecventă constantă de la generatorul principal în frecvența
variabilă a motorului. Motorul electric este utilizat pentru conversia puterii elect rice la putere
mecanică pentru elice.
Azipod are un motor sincron controlat de un cicloconvertor și un transformator uscat.
Există, de asemenea, un transformator de tip uscat și un motor sincron controlat de un invertor cu
sarcină comutată (LCI).
Cea mai mare schimbare în propulsia podului în viitorul apropiat este o comutare de la
invertorul sursei de tensiune la modulație puls -lătime (VSI -PWM). Motoarele sincrone cu
magnet permanent sunt o alternativă pentru POD -uri mai mici, iar dezvoltarea magn eților poate
transforma motoarele sincrone cu magnet permanent într-o alternativă pentru POD -uri mai mari.

5
CUPRINS

INTRODUCERE …………………………………………………………… …………………. ……………………. …….7
CAPITOLUL I . DESCRIEREA NAVEI …….. …………………………. ………………………………….. …..9
1.1 Informații generale………………………………………………………………………………….. ……….9
1.2 Planul punților…………………….. ………………………………………………………………….. …….10
1.3 Date tehnice…………………………………………………………………….. ………………………….. ..11
CAPITOLUL II . CENTRALA ELECTRIC Ă A NAVEI …………………………………………… …….12
2.1. Sistemul de excita ţie al generatoarelor sincrone………………….. …………………………. ….12
2.2. Sistemul de excita ţie cu excitatrice de curent continuu………… ……………………… ………12
2.3. Schemele de excitare a generatoarelor sincrone autoexcitate………………………. ………..14
CAPITOLUL III . DESCRIEREA SISTEMULUI DE PROPULSIE AL NAVEI ………. ………16
3.1. Sisteme de propulsie tip POD și AZIPOD…………………………………………………. ………16
3.1.1. Propulsoarele azimutale…………………………………………………………….. ……..16
3.1.2. Modul hidrodinamic…………………………. ……………………………………. ……… ..18
3.2. Avantaje și dezavantaje………………………………………………………………………… ………..19
3.3. Amplasarea mașinii principale de propulsie…………………… …………………………. ………20
3.4. Concluzii………………………………………………………………………………………………… ……23
CAPITOLUL IV. STUDIUL TEHNIC AL SISTEMULUI DE PROPULSIE
ELECTRICĂ CU MOTOR SINCRON ALIMENTAT CU CICLOCONVERTOR …………..24
4.1. Prezentarea sistemului de propulsie electrică AZIPOD……………………………… ………..24
4.2. Prezentare generală a propulsiei pod……………………………………………………… ………….25
4.2.1. Transformatorul……………………………………………………………………… ………..26
4.2.2. Cicloconvertorul……………………….. …………………………………………. ………….26
4.2.3. Motorul electric……………………………………………………………………….. ………28
4.3. Sistemul de control a propulsiei Azipod…………………….. …………………………… ………..28
4.4 Teoria sarcinii elicei………………………………………………………………………………. ……….29
4.5 Sistemul de control a propulsiei diesel – electric………………….. …………………….. ……….30
4.6. Protecțiile centralei electrice…………………………………………………………………… ……….31
4.6.1. Interblocarea…………………………………………………………. …………….. ………….31
4.6.2. Funcții de protecție pentru limitarea cuplului……………………. ………………….32

6
4.6.3. Funcții de protecție in cazul tripuirii…………………………….. ……………………..33
4.7 M odelarea motorului sincron de propulsie………………………………………………. …………34
4.7.1 Regimul staționar al motorului sincron cu magneți permanenți……….. ……….34
4.7.1.1. Diagrame fazoriale……………………………………………………… ………34
4.7.1.2. Caracteristici………………………………………………………………. ……..37
4.7.2. Regimul nestaționar al motorului sincron cu magneți permanenți…….. ……..38
4.7.2.1. Ipoteze simplificatoare………………………………………………. ………..38
4.7.2.2. Ecuațiile de stare ……………………………………………………… …………39
4.8. Comanda convertoarelor de putere……………………………………………………….. ………….39
4.8.1. Introducere…………………………………………………………………………….. ……….39
4.8.2 . Convertoare cu circuit intermediar de curent continuu și invertoare
PWM…………………………………………………………………………….. ……………..39
4.8.3. Invertoare PWM comandate în curent…………………………………. ……….. …….40
4.8.3.1. Regulatoare PWM cu histerezis…………………………………….. ………40
4.8.4. Invertoare PWM comandate în tensiune……………………………………… ……….41
4.8.4.1. Generarea vectorilor… …………………………………………………. ………41
4.8.5. Compensarea tensiunilor de comandă……………. ………………………………. …..42
4.8.6. Bucla de reglare a vitezei……………………………………………………….. ………….43
4.9. Concluzii…………………………………………………………………………………………… …………43
CAPITOLUL V . SIMULARE, DATE EX PERIMENTALE, PROTECȚII ȘI
EXPLOATARE ……………………. …………………………. ……………………………………………. ………….. 44
5.1. Motorul sincron cu magneți permanenți. Modelare în SIMULINK………….. …………… 44
5.2. Motorul sincron cu magneți permanenți. Rezultatele simul ării…………………… …………49
Concluzii finale ……………………………………………………………………………………………………. ……….53
Bibliografie …………………………………………………………………………………………………….. ……………55

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Introducere
7
INTRODUCERE

Dezvoltarea construcțiilor navale este strâns legată de evoluția și perfecționarea sistemelor
de propulsie.
Un sistem naval de propulsie realizează conversia unei forme primare de energie în energie
mecanică, energie care se transmite propulsorului în vederea învingerii rezistenței la înaintarea
navei și deplasării acesteia pe drumul dorit, cu viteza impusă. Din punct de vedere energetic, o
instalație navală de propulsie este alcătuită din sursa de energie: mașina principală de propulsi e și
consumatorul de energie: propulsorul. Dintre propulsoarele navale, elicea răspunde cel mai bine
tehnicii navale actuale, ea fiind cel mai utilizată și în general cel mai eficient propulsor naval.
Sistemul naval de propulsie are un rol determinant în realizarea unei nave econome și de
performan ță. Aprecierea eficienței unei nave se face ținând cont de criterii economice, criterii de
siguranță funcțională, criterii de confort pentru echipaj și pasageri, etc.
Analiza sistemului navă – mașină principală de propulsie – propulsor trebuie realizat în
fazele inițiale de proiectare, tipul de sistem de propulsie utilizat trebuie ales foarte devreme în
procesul de proiectare a unei nave, el având un impact puternic asupra proiectării navei însăși.
Alegerea insta lației de propulsie a navei presupune integrarea unui număr mare de elemente într –
un spațiu funcțional, presupune selectarea componentelor (a mașinii principale de propulsie, a
transmisiei și a propulsorului), ajustarea acestora prin constrângerile impuse de celelalte elemente,
aranjarea lor astfel încât să se obțină performanțele sistemului cerute, o configurație
satisfăcătoare și un preț de cost acceptabil.
Alegerea sistemului de propulsie trebuie să reflecte profilul de operare al navei, analizând
în ac elași timp performanțele tehnice și economice ale instalației navale de propulsie, în vederea
reducerii costului specific al transportului și măririi siguranței în exploatare.
Parametrii de care trebuie ținut cont la alegerea unui sistem de propulsie sunt :
 Costul investiției inițiale;
 Costul specific al transportului , care depinde de consumul specific de combustibil cât și de
numărul și nivelul de retribuire al echipajului care deservește instalaț ia de propulsi e;
 Eficiența propulsiei;
 Spațiul aferent siste mului de propulsi e;
 Siguranța mare în exploatare și accesibilitatea pentru control în timpul funcționării;

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Introducere
8
Alegerea unui sistem naval de propulsi e presupune: determinarea puterii necesare la bordul
navei astfel încât să se realizeze viteza dorită, alegere a tipului de instalație de propulsie, alegerea
mașinii principale de propulsie și a propulsorului, precum și amplasarea instalației de propulsie la
bordul navei.
Un sistem naval de propulsie are efect direct asupra greutății, mărimii, vitezei,
manevrabili tății și amenajărilor unei nave, un criteriu esențial în alegerea acestuia fiind legat de
cerințele de spațiu și amenajare.
Sistemele de propulsie convenționale alcătuite din mașina principală de propulsie,
transmisie (linie de axe) și elice nu reușesc în totdeauna să îndeplinească toate condițiile cu privire
la flexibilitate, manevrabilitate și cerințele de spațiu impuse unui sistem naval de propulsie modern.
Impunerea unor reguli noi, stricte în construcțiile navale și în navigație au determinat
apariția unor noi echipamente navale, a unor noi sisteme de propulsie care au modificat amenajările
navei din considerente economice și de eficiență.
Volumul util comparat cu volumul total al navei constituie un bun indicator economic care
permite analiza venitur ilor și cheltuielilor de construcție și exploatare ale navei.
De exemplu, în urma analizei în ceea ce prive ște utilizarea spațiului la bordul unor nave de
pasageri construite în ultimii 50 de ani, raportul dintre volumul destinat instalației de propulsie și
volumul total al navei variază în jurul valorii medii de 11.3%, (între 8% și 17.5%, ajungând în mod
excepțional la 22%).
O alternativă în sensul reducerii spațiului ocupat la bordul navei de sistemul de propuls ie
constă în folosirea sistemelor de propu lsie tip POD și AZIPOD.
Prezenta lucrare își propune să facă un studiu al caracteristicilor tehnice și al performanțelor
sistemelor de propulsie tip POD și AZIPOD. Lucrarea realizează o trecere în revistă a principalelor
avantaje și dezavantaje ale acesto r noi sisteme de propulsie comparativ cu sistemele clasice de
propulsie cu linii de arbori, conform datelor pre zentate în literatura de tehnică de specialitate.
Sistemele de propulsie tip POD și AZIPOD au avut un impact major asupra construcțiilor
navale în ultimii ani fiind utilizate cu succes la nave de croazieră, spărgătoare de gheață, tancuri,
port-containere, nave care deservesc sistemele off -shore, etc.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea Navei
9

CAPITOLUL I
DESCRIEREA NAVEI

1.1. Informații generale

Nava MS Europa este o navă de croazieră deținută de compania germană Hapag -Lloyd.
Este a patra navă numită “Europa” în istoria companiei. Pentru 12 ani la rând, MS Europa a primit
premiul de cea mai bună navă de croazieră din lume din partea Ward -Ranking and Berlitz.

Fig. 1.1. Nava MS Europa în portul din Stockholm in August 2013

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea Navei
10
1.2. Planul punților

Fig. 1. 2. Peil Deck

Fig. 1.3. Penthouse Deck

Fig. 1.4. Bellevue Deck

Fig. 1.5. Lido Deck

Fig. 1.6. Sport Deck

Fig. 1.7. Atlantic Deck

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea Navei
11

Fig. 1.8. Pacific Deck

Fig. 1.9. Europa Deck

Fig. 1.10. Ordonarea punților

1.3. Date tehnice
An construcție : 1999
Tonaj : 28890 dwt
Categorie: 5-stele-plus
Lungime: 198,60 m
Lățime : 24 m
Pescaj: 6 m
Putere maxim ă: 21600 kW
Viteză maxim ă: 21 noduri
Stabilizatoare: Fincantieri, 2 x 11 m2

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Centrala electric ă a navei
12
CAPITOLUL II
CENTRALA ELECTRIC Ă A NAVEI

2.1. Sistemul de excita ţie al generatoarelor sincrone ;
în cazul generatoarelor de curent continuu sistemul de excitație al generatoarelor, constituie
un element important în producerea de energie electrică.Acest lucru fiind important si in cazul
maşinii sincrone.
Pentru o func ţionare sigur ă a generatoarelor sincrone , cât şi pentru stabilitatea sistemului
electroenergetic, sistemul de excita ţie trebuie s ă îndep lineasc ă următoarele cerin ţe de baz ă: să fie
direct, independent de re ţeaua electric ă exterioar ă; să asigure for ţarea excita ţiei pân ă la valoarea
maxim ă în timp minim; s ă aibă vitez ă mare de cre ştere a excita ţiei; s ă fie sigur în func ţionare.
În sistemele electroene rgetice navale se folosesc urm ătoarele sisteme de excita ţie a
generatoarelor sincrone:
 cu excitatrice de current continuu ;
 cu autoexcita ţie;
 cu excitatrice de current alternative (sistemul de excita ţie fără perii).
2.2. Sistemul de excita ţie cu exc itatrice de curent continuu ;
Realizeaz ă alimentarea în curent continuu a excita ţiei generatorului sincron de la un
generator de curent continuu cuplat cu axul generatorului sincron şi antrenat de acela şi motor
primar. Acest generator de curent contin uu se nume şte excitat rice şi a reprezentat primul sistem
folosit pentru alimentar e a excita ţiei generatoarelor sincrone. Put erea excitatrice reprezint ă 1,5-2%
din puterea excitatricei generatorului sincron. Tensiunea nominal ă a excitatricei pentru generatoare
cu puteri pân ă la 200 kw este 28V, 25V, 55V, iar pentru puteri mai mari 25 -65V.
În figura 2.1 se prezint ă schema de excita ţie a generatorului sincron de la excitatricea de
curent continuu.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Centrala electric ă a navei
13

Fig. 2 .1 Schema de principiu a aliment ării exci taţiei
generatorului sincron de la excitatrice
La pornire se produce autoexcitarea excitatricei ca generator de curent continuu şi tensiunea
de la bornele acesteia alimenteaz ă excita ţia generatorului sincron.
Pentru realizarea autoexcita ţiei excita tricei este necesar ca fluxul remanent al acesteia s ă
fie:
rem 25%0 (2.1)
în care: 0 – fluxul la mers în gol, corespunz ător tensi unii maxime .
Prin rotirea generatorului şi excitatricei cu viteza nominal ă la bornele excita ţiei se creeaz ă
o tensiune de (2 -5) % din valoarea nominal ă. Circuitul de excita ţie al excitatricei fiind închis, în el
apare un curent, care creeaz ă un flu x suplimentar şi câmpul rezultant va fi:
rez  rem  supL (2.2)
Autoexcitarea este posibil ă numai atunci când sensurile celor dou ă fluxuri coincid, adic ă se
obţine cre şterea fluxului rezultant având ca rezultat cre şterea tensiunii electromotoare, ş.a.m.d.
Prezen ţa excitatricei, care este o ma şină de curent continuu cu colector şi perii, scade
siguran ţa în exploatare a generatorului sincron. Experien ţa exploat ării agregatelor generatoare arat ă
că cele mai multe avarii ale generatoarelor se produc din cauza defec ţiunilor care apar la excitatrice.
De asemenea, excitatricea m ăreşte gabaritu l (îndeosebi lungimea) şi greutatea agregatului
generator. Pentru generatoarele navale care au putere relativ mic ă în compara ţie cu generatoarele
centralelor electrice sta ţionare, gabaritul şi preţul de cost sunt mari pentru generatoarele sincrone
cu excitatrice de curent continuu.
Dezvoltarea semiconductoarelor şi amplificatoarelor magnetice a per mis realizarea
generatoarelor sincrone autoexcitate, care în locul excitatricei folosesc un sistem static de excita ţie
fără elemente în mi şcare.
În m omentul actual nu se mai instaleaz ă la nave generatoare sincrone cu excitatrice de
curent continuu. Acest tip de generator poate fi întâlnit doar la nave construite în anii interiori.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Centrala electric ă a navei
14
Autoexcitarea generatoarelor sincrone const ă în alimentarea înf ăşurării de excita ţie, prin redresor,
de la circuitul de curent alternativ al statorului.
În acest caz nu mai este necesar ă o surs ă separat ă de energie. Procesul de autoexcitare se
desfăşoară analog cu autoexcita ţia gen eratorului de curent continuu.
Procesul de autoexcitare al generatorului sincron este determinat, ca şi în cazul
generatorului de curent continuu, de existen ţa magnetismului remanent. La rotirea rotorului
generatorului sincron la bornele lui apare tensiunea electromotoare remanent ă care produce un
curent de excita ţie. Trecerea curentului redresat prin înf ăşurarea de excita ţie a generatorului duce
la mărirea câmpului generatorului, ceea ce are ca urmare, cre şterea tensiunii electromotoare şi a
curentului de excita ţie. Procesul de cre ştere continu ă până când tensiunea generatorului ajunge la
valoarea U0, corespunz ătoare mersului în gol al generatorului.
2.3. Schemele de excitare a generatoarelor sincrone autoexcitate ;
Se folosesc diferite procedee care asigur ă iniţierea a utoexcit ării, cum ar fi:
 mărirea magnetismului remanent al generatorului care se poate realiza prin montarea unor magne ţi
permanen ţi între poli şi rotor. Procedeul asigur ă modificarea caracteristicii de mers în gol a
generatorului cu consecin ţe favo rabile procesului de autoexcitare. Dezavanta jul const ă în
complicarea construc ţiei generatorului, m ărirea dimensiunilor şi înrăutăţirea cara +cteristicilor de
funcţionare ale generatorului.
 micşorarea impedan ţei circuitului de excita ţie în perioa da de autoexcitare. Aceasta se poate ob ţine
pe mai multe c ăi: şuntarea dreselului D, în perioada de pornire, cu ajutorul unui buton; conectarea
în scurtcircuit a bornelor statorului generatorului, ob ţinându -se pe aceast ă cale contribu ţia
înfăşurării de curent la sporirea tensiunii în înf ăşurarea secundar ă a transformatorului intermediar;
formarea unui circuit rezonant cu elementele circuitului de excita ţie: (drosel, condensator,
înfăşurările transformatorului intermediar). În ceea ce prive şte ultimul procedeu, rezonan ţa
circuitului se stabile şte pentru o frecven ţă de 60 – 90% din frecven ţa nominal ă. La pornire apare
tensiunea remanent ă şi la tura ţia 60 -90% din tura ţia nominal ă se ob ţine rezonan ţa circuitului de
excita ţie, se red uce la minim impedan ţa acestuia şi cre şte curentul de excita ţie la o valoare
suficient ă pentru autoexcitarea generatorului.
 alimentarea excita ţiei generatorului, în perioada de pornire, de la surse independente: baterie de
acumulatori, generator de e xcita ţie ini ţială. Puterea acestor surse este mic ă, câţiva vol ţiamperi şi
asigur ă în perioada ini ţială autoexcitarea generatorului. În cazul folosirii generatorului de excita ţie

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Centrala electric ă a navei
15
iniţială acesta este înglobat în construc ţia generatorului sincr on, este de tipul generatorului sincron
cu magne ţi permanen ţi pentru excita ţie şi alimenteaz ă excita ţia generatorului sincron în perioada
iniţială printr -o punte redresoare.
La generatoarele sincrone autoexcitate pentru alimentarea înf ăşurării de excita ţie dispus ă
pe rotorul ma şinii se folosesc inele şi perii.
Sistemul de excita ţie cu excitatrice de curent alternativ elimin ă necesitatea inelelor şi
periilor, de aceea acest sistem se mai nume şte sistem de excita ţie fără perii. Excitat ricea în acest
caz este un generator sincron înglobat în construc ţia generatorului de baz ă. Excitatricea are
înfăşurarea indus ă trifazat ă de curent alternativ dispus ă pe rotorul ma şinii iar înf ăşurarea
inductoare, alimentat ă în curent continuu, este amplasat ă pe statorul generatorului de baz ă.
Autoexcitarea generatorului se face pe baza tensiunii remanente creat ă de existen ţa
magnetismului remanent al polilor excitatricei şi generatorului. Reglarea excita ţiei se face de c ătre
regulatorul automat de tensiune, RAU, conectat la circuitul statorului şi care con ţine elemente
similare cu cazul generatorului sincron autoexcitat.
Sistemul cu excitatrice de curent alternativ este superior comparativ cu celelalte sisteme
excluzând contactele alun ecătoare: colector, inele de contact şi perii.
Dintre sistemele de excita ţie prezentate, cele mai utilizate la nave sunt sistemul cu
autoexcita ţie şi sistemul cu excitatrice de curent alternativ.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
16

CAPITOLUL III
DESCRIEREA SISTEMULUI DE PROPULSIE AL NAVEI

3.1. Sisteme de propulsie tip POD și AZIPOD
O alter nativă în vederea reducerii spa țiului ocupat la bordul navei de instalația de propulsie
o reprezintă utilizarea unui sistem la care transmiterea momentului de rotație de la mașina
principală de propulsie la propulsor se face printr -o transmisie meca nică în L sau în Z. Din păcate,
o astfel de transmisie mecanică limitea ză puterea ce se poate transmite propulsorului de tip elice,
iar pierderile mecanice sunt semnificative.
Un sistem de propulsie care folosește între mașina principală de propulsie și elice o
transmisie în Z sau în L și care poate realiza și manevrarea nav ei prin rotirea propulsorului este
cunoscută sub denumirea de propulsor azimutal “steerable thruster unit”.
3.1.1. Propulsoarele azimutale
Realizează împingere maximă în orice direcție, indiferent de viteza navei, această
împingere își poate modifica di recția funcție de necesitățile manevrării navei. Elicele
propulsoarelor azimutale nu funcționează doar în curent axial, ci și în curent oblic, asigurând navei
o capacitate manevrabilă deosebită chiar și la viteze mici ale navei, acolo unde sistemele clasic e cu
cârma au performanțe slabe.
În fig.3.1. este prezentat un propulsor azimutal cu elice contrarotative, sistem de propulsie
care îmbină două idei: ideea elicelor contrarotative de a împărți puterea de propulsie pe două discuri
active fără pierderile de randament ale corpului care apar la o navă convențional cu două elice, cu
ideea sistemului azimutal care inovează puternic atât
manevrabilitatea cât și compartimentarea navei prin micșorarea substanțială a compartimentului de
mașini.
Există o variantă de propulsoare azimutale retractabile, care în poziție normală de
funcționare pot dezvolta împingere maximă în orice direcție, propulsorul având capacitatea de a se
roti cu 360o. Elicea amplasată într -o duză Kort, poate fi retrasă într -un tunel amplasat în c orpul
navei, propulsorul acționând în aceast poziție ca un propulsor transversal – Bowthruster.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
17

Fig.3.1. Sistem de propulsie azimutal cu elice contrarotative

Propulsorul azimutal (orientabil) este considerat ca fiind cel mai răspândit și mai “bătrân”
produs din categoria sistemelor de propulsie și guvernare dar care se caracterizează prin puteri mici.
Un concept distinct, nou îl constituie sistemul de propulsie tip AZIPOD, care a lărgit gama
de puteri utilizate.
Neajunsurile transmisiei în Z și L legate de limitarea puterii transmise propulsorului și de
pierderile mecanice pot fi evitate prin montarea unui motor electric într -un corp hidrodinamic (bulb
“pod”) plasat sub navă. Aici, energia electrică produsă la bordul navei este transferată motorulu i
electric de curent alternativ care transmite direct momentul de rotație propulsorului de tip elice.
Astfel, în industria construcțiilor navale a apărut un sistem de propulsie revoluționar
cunoscut sub numele “POD” “podded drive” în care linia de arbori a fost înlocuită cu o unitate de
propulsie compactă, amplasată într -un bulb cu forme hidrodinamice, sub navă.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
18
Aceste unități de propulsie compacte prezintă o serie de avantaje legate de spațiul mic
ocupat de sistem la bordul navei, flexibilitatea propulsi ei diesel electrice, posibilitatea controlului
continuu a vitezei, ușoara reversibilitate.
Un sistem modern de propulsie care reușește să îndeplinească cu succes cerințele cu privire
la flexibilitate, spațiu minim ocupat și care oferă în plus navei o capa citate manevrieră deosebită,
îl constituie sistemul de propulsie AZIPOD (Azimuthing Podded Drive).

3.1.2. Modul hidrodinamic
Sistemul de propulsie este înglobat într -un modul hidrodinamic optimizat amplasat sub
carena navei care are posibilitatea de a s e roti la 360o. Motorul electric de curent alternativ de mare
putere este amplasat în acest modul și transmite direct mișcarea de rotație la una sau doua elice.
Acest sistem înlocuiește sistemele clasice de propulsie și guvernare, asigurând atât propulsia navei
cât și manevrarea acesteia.

Fig.3.2. Sistem de propulsie AZIPOD

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
19
3.2. Avantaje și dezavantaje

Sistemele de propulsie tip POD și AZIPOD combină avantajele diferitelor tipuri sisteme de
propulsie:
 Elimină componentele clasice ale unei instalații d e propulsie: linii de arbori lungi, reductor,
elice cu pas reglabil;
 Reducerea spațiului ocupat de instalația de propulsie la bordul navei, reducerea spațiului
ocupat de compartimentul de mașini în favoarea spațiilor pentru marfă sau pasageri;
 Reducerea ni velului de zgomote și vibrații;
 Siguranță în exploatare;
 Consum redus de combustibil, cost redus al operațiilor de întreținere;
 Construcție simplă și solidă, montaj simplu.

Sistemele de propulsie tip AZIPOD prezintă în plus o serie de avantaje legate de buna
manevrabilitate a navei:
 Asigură atât propulsia cât și guvernarea navei;
 Asigură navei o capacitate manevrieră deosebită în condiții de mare rea precum și la viteze
mici ale navei, acolo unde sistemele clasice cu cârmă au eficiență scăzută;
 Elimină componentele clasice ale unei instalații de guvernare: cârmă, mașină de cârmă,
bowthruster, etc.

Principalul dezavantaj al acestor sisteme de propulsie îl constituie prețul ridicat.
În ceea ce privesc cerințe de spațiu și amenajare sistemele de propulsi e tip POD și AZIPOD
sunt unități de propulsie compacte care prezintă o serie de avantaje legate de spațiul mic ocupat de
sistem la bordul navei.
Motorul electric este amplasat în afara corpului navei, ceea ce elimină necesitatea liniilor
de arbori lungi, spațiul adițional aferent instalației de propulsie fiind substanțial redus.
Motorul electric este amplasat în bulb, în linie cu propulsorul de tip elice, ceea ce reduce
problemele specifice unei linii de arbori convenționale legate de lagăre, pierderi mec anice, etc.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
20
În general la o navă cu sistem de propulsie clasic, lungimea liniei de arbori depinde de
poziționarea mașinii principale de propulsie ținând cont de pescajul navei și de unghiul de asietă a
navei goale.

3.3. Amplasarea mașinii principale de propulsie
Este definită de poziția coșului de fum și a pereților structurali.
La navele la care valorile pescajului și ale unghiului de asietă pot fi ajustate cu ajutorul
balastului, este posibilă montarea motorului cât mai în pupa navei, lungimea linie i de arbori fiind
mică. Încercarea de a scurta lungimea liniei de arbori duce la scăderea costului acesteia, dat în
același timp determină creșterea unghiului de înclinare a liniei de arbori, determinând înclinarea
planului discului elicei cu un unghi nefa vorabil din punct de vedere hidrodinamic. În acest caz
elicea funcționeaz în curent oblic, fenomen care este însoțit de apariția unor forțe hidrodinamice pe
pală, variabile în timp odată cu rotirea ei. Aceste componente nestaționare care solicită pala sunt
preluate de linia de arbori și sunt cunoscute sub denumirea de forțe de lagăr. Trebuie precizat că
fluctuațiile de împingere și moment, precum și excentricitatea împingerii devin tot mai mari odată
cu creșterea unghiului de înclinare, cu efect nefavorabil în ceea ce privește nivelul de zgomote și
vibrații.
După stabilirea poziției mașinii principale de propulsie, restul compartimentului de mașini
se construie te în jurul acesteia.
În ceea ce privește greutatea instalației de propulsie, prin înlocuirea si stemului de propulsie
convențional diesel electric cu sisteme AZIPOD la navele de croazieră Fantasy s -au câștigat 9.8 –
16.5 t/MW în condițiile menținerii aceluiași tip de generator (greutatea generatorului depinde de
turație).
O navă echipată cu un de sist em de propulsie tip AZIPOD asigură navei o capacitate de
manevrabilitate deosebită, nava nu mai necesită instalații de guvernare clasice cu cârmă și instalații
de guvernare transversal – bowthruster.
Din punct de vedere al manevrabilității navei, sistemel e de propulsie tip AZIPOD prezintă
avantaje certe în raport cu sistemele de propulsie clasice, utilizarea lor crește capacitatea de
manevră a navei, reducând consumul de combustibil. De exemplu, înlocuind la o navă sistemul de
propulsie clasic existent cu un sistem de propulsie tip AZIPOD, s -a obținut o reducere a diametrului
de girație al navei cu 35%.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
21

Fig.3.3. Amplasarea a două sisteme de propulsie tip AZIPOD și a unui sistem POD (fix) în pupa
navei

Marșul înapoi al navei se poate realiza prin schimba rea sensului de rotație a elicei sau prin
rotirea azipodului. Datorită utilizării motoarelor electrice, schimbarea sensului de rotație se face
prin schimbarea polarității fiind necesare doar 20 secunde pentru trecerea de la marș înainte la marș
înapoi a na vei.
De asemenea, întregul sistem AZIPOD se poate roti cu 180o in 22.5 secunde. Distanța de
oprire a navei “crash -stop” se reduce la jumătate.
Consorțiul SSP format din firmele Siemens și Schottel au creat un nou sistem de propulsie
azipod cu puteri cupr inse între 5 și 20 MW pe unitate, care poate fi folosit cu succes pentru orice
tip de navă care necesită consum mare de energie electrică și o manevrabilitate deosebită.
Acest sistem de propulsiei poate funcționa cu o energie de până la 20MW pe unitate și poate
fi folosit pentru navele care necesită schimbări frecvente de puteri la elice: navele de croazieră,
feriboturile, etc.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
22
Sistemul este prevăzut cu două elice montate pe un arbore comun, amplasate în fața și în
spatele modului hidrodinamic. Sarcina to tală se împarte pe cele două elice care se rotesc în același
sens. Acest lucru face posibilă reducerea diametrului elicelor și a dimensiunilor modului
hidrodinamic care conține motorul, cu efect pozitiv în creșterea eficienței globale a propulsorului
(fig.3.4).

Fig.3.2.2. Sistem de propulsie SSP

Pe modulul hidrodinamic sunt montate aripioare care uniformizează curgerea, ele au rolul
de a anula componentele tangențiale ale vitezelor induse de elicea 1 (elicea amplasată spre prova
la marș înainte).
Sunt evidente avantajele sistemelor de propulsie tip POD și AZIPOD în ceea ce privește
eficiența hidrodinamică, folosirea spațiului la bordul navei, etc.

Navă de pasageri cu 40 0 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Descrierea sistemului de
propulsie al navei
23
Principalul dezavantaj al acestor sisteme de propulsie îl constituie prețul ridicat.
Comparativ cu o inst alație de propulsie clasică cu linie de arbori sistemele de propulsie tip PODS și
AZIPOD sunt mult mai scumpe.
Pentru a analiza prețul unui astfel de sistem de propulsie este necesar să se analizeze
costurile inițiale și costurile de exploatare.
Costuril e inițiale includ cheltuielile materiale, cheltuielile de fabricație și montaj. Un sistem
POD este o unitate de propulsie compactă care are o parte semnificativă din sistemul de propulsie
preasamblată în el.
Un sistem POD se caracterizează prin cheltuieli de proiectare și fabricație mai mari decât
în cazul instalațiilor de propulsie clasice cu linii de arbori, în schimb cheltuielile de montaj la navă
sunt mai mici.
Un sistem POD transferă o mare parte din muncă în atelier, fiind cunoscut faptul că
activit atea în atelier este mai productivă decât cea desfășurată la bordul navei.
În ceea ce privesc cheltuielile de exploatare, datorită sporirii eficienței propulsiei se poate
reduce consumul de combustibil.

3.4. Concluzii
Reducerea spațiului ocupat de insta lația de propulsie la bordul navei prin mutarea
motoarelor electrice de puteri mari de pe navă într -un modul amplasat sub navă, simplificarea
formelor pupa ale navei, instalarea ușoară fac ca acest sistemele de propulsie tip POD și AZIPOD
să fie utilizate în prezent cu succes la navele de pasageri, tancuri, spărgătoare de gheață, etc.
Absența liniilor de arbori lungi, a cârmelor și a mașinilor de cârmă, duc la creșterea
volumului util destinat mărfii. Acest sistem de propulsie este potrivit pentru o variet ate largă de
forme pupa ale corpului navei, ușurând proiectarea extremității pupa a corpului navei și a
compartimentului de mașini.
Avantajele prezentate, la care se adaugă sporirea capacității manevriere a navei, explică
atracția acestor sisteme de propulsie navale în ciuda costurilor inițiale ridicate. Este de așteptat ca
prin creșterea productivității muncii și prin sporirea experie nței în domeniu proiectării,
construcției și montajului, în viitor, prețul sistemelor de propulsie tip POD și AZIPOD să scadă și
mai mult ca sigur ele vor marca o etapă importantă în istoria construcțiilor navale din întreaga lume.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
24

CAPITOLUL IV
STUDIUL TEHNIC AL SISTEMULUI DE PROPULSIE ELECTRICĂ CU MOTOR
SINCRON ALIMENTAT CU CICLOCONVERTOR

4.1. Prezentarea sistemului de propulsie electrică AZIPOD
Sistemele de propulsie electrică AZIPOD sunt, în general, compuse din: instalația de
alimentare, panouri de control, transformatoare, convertoare de frecvență și motoare de
propulsie. Majoritatea sistemelor de propulsie AZIPOD au acelasi design.
Doarece POD -ul este montat în afara corpului navei, linia de arbori sau echipamentele
aferente pot fi scoși, în acest mod oferind mai mult spațiu liber sau o dimensiune a navei mai
compactă. Amplasare POD -ului în afara navei poate avea un rezultat pozitiv, deoarec e scade
nivelul de zgomot și de vibrații. Cantinatea de combustibil consumată este redusă deoarece
generatoarele pot ajusta viteza de rotație oferind în acest mod cea mai mare eficientă. Resistenta
corpului navei va fi redusă atunci când linia de arbori și brațele for fi scoase din proiectarea
navei și proiectarea corpului navei optim poate fi utilizată, care de asemenea rezultă într -un
consum mai redus de combustibil, cel mai bun procent la funcționarea navei la putere maximă
fiind de 20%.

Fig.4.1. Secț iunea transversală a unui pod. Motorul electric este plasat în pod. Rulmentul de
rotire face rotația pod 360 grade. Omul arată dimensiunea aproximativă a podului.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
25
La propulsia de tip AZIPOD, motorul este plasat în interiorul POD -ului (bulbului).
Această structură este folosită la majoritatea POD -urilor construite în ziua de azi. Rotorul este
plasat pe același ax ca și elica, deci nu este nevoie de linii lungi de arbori sau de reductoare.
Arborele este ținut în poziție printr -un aranjament lagăr axial la capătul liber și un aranjament
radial la capătul de antrenare. Omul din figură arată dimensiunea aproximativă a sistemului de
propulsie AZIPOD, limită de putere fiind de 20 MW.

4.2 Prezentare generală a propulsiei pod
Sistemele electrice în propulsia POD constau, de obicei, dintr -o centrală electrică,
tablouri electrice, transformatoare, convertoare de frecvență și motoare de propulsie. Din
moment ce centralele electrice și tablourile de distribuție se află în domeniul de aplicare al
acestui raport, trans formatorul, convertorul de frecvență și motorul de propulsie este de aici
denumit în continuare sistemul electric. Transformatorul și convertorul sunt plasate în camera
POD -ului din navă, iar motorul în bulb. Pentru a transfera energia electrică de la cicl oconvertor
la podul liber care se rotește, se folosește un inel de alunecare. Sistemul deobicei constă din
seturi de câte două bulburi, fiecare având exact aceeași configurație independentă de fiecare.

Fig.4.2. O singură diagramă de linie a unui sistem de propulsie cu doua POD

La inceput, motoarele de curent continuu au fost cele mai practice pentru o propulsie
alternativă. Când semiconductoarele de putere au devenit disponile industrial, motoarele cu
viteza variabilă pentru motoarele de curent altern ative au inceput să fie competitive pe piață și
astazi toate sistemele electrice de propulsie sunt bazate pe tipologia motoarelor AC. Mașinile

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
26
DC aproape că au dispărut, în mod cert datorită complexității rotorului. Creșterea motoarelor
electrice în aplica țiile marine depinde mai presus de orice de dezvoltarea tehnologiei în
convertoare de frecventă, ceea ce face mai usoară controlul vitezelor motoarelor. Se ia deseori
tehnică de propulsie POD dintr -o aplicație industrială și adaptată la propulsia marină.

4.2.1. Transformatorul
Transformatorul este folosit pentru a împărți sistemul în mai multe părți pentru a obține
nivele de tensiune diferite, dar și pentru schimbarea fazelor. Transformatorul izolează cele două
laturi electric. În propulsia podului, cele două tipuri sunt cele mai commune: umede și uscate.
Ieșirea unui transformator care furnizează un sistem pod este ajustată la faza de redresoare de
intrare a convertorului. Figura 4.3 prezintă o ilustrare schematică a transformatoarelor pentru a
fi utiliz ate la redresoare cu 6, 12, 18 și 24 impulsuri.

Fig.4.3. ilustrare schematică a transformatoarelor cu 6, 12, 18 și 24 impulsuri.

4.2.2. Cicloconvertorul
Scopul convertorului de frecvență este de a controla viteza și cuplul motorului prin
schimbarea f recvenței constante în frecvență variabilă. Dezvoltarea tehnică a semiconductorilor
a fost importanta și a făcut multe modele diferite de convertoare posibile. Un convertor are
efecte nedorite, cum ar fi distorsiunea armonică care poate deranja sistemul.
În propulsia podului există trei convertoare care sunt de actualitate. Acestea sunt
ilustrate în figura 4.4. Convertorul ciclo (Cyclo) și invertorul încărcat comutat (LCI) sunt cele
mai frecvent utilizate. Sunt descendenți direcți ai tehnologiei de acționa re DC și folosesc același
tiristor, care poate fi numai pornit. ABB utilizează Cyclo și RR utilizează ICI.
Sursa invertorului sursă de tensiune (VSI) este al treilea tip de convertor și diferă de
cele două de mai sus prin utilizarea unor comutatoare contr olate în loc de tiristoare. VSI este
rezultatul dezvoltarii tehnice a semiconductorilor de putere. Comutatoarele de alimentare pot fi
pornite și oprite, astfel încât tensiunea de ieșire poate fi controlată prin puls modulare lățime
(PWM). Convertorul este adesea denumit VSI -PWM. Există O gamă largă de comutatoare

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
27
controlate, ABB folosește IGCT (tiristorul comutat cu o poartă integrată) și RR utilizează IGBT
(tranzistor bipolar cu poartă izolată). Convertorul VSI este cel mai intalnit convertor de
frecvență în aplicațiile industriale și probabil va fi cel mai răspândit în domeniul marin in
termen de câțiva ani. ABB utilizează VSI în micul lor bulb compact și în niște Azipoduri mai
mici.

Fig 4.4 convertor LCI folosit de RR

Fig 4.5 Convertorul ciclo folosit de ABB

Fig 4.6 VSI cu o noua tehnica semiconductoare

Imagini simplificate ale celor trei convertoare cel mai utilizate în propulsia podului.
a) Un convertor LCI folosit de RR
b) Convertorul ciclo folosit de ABB
c) VSI cu o noua tehnica semiconductoare, devenind mai obisnuita atat la RR cat si la ABB.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
28
4.2.3. Motorul electric
Motorul electric este folosit pentru conversia puterii electrice în putere mecanică. Cel
mai răspândit motor este motorul sincron, datorită eficienței sale ridicate în aplicațiile de putere
înaltă. Motorul se numește sincron datorită faptului că rotorul se învârte la rotația de sincronism,
însemnând că rotorul se învârte la aceeași viteză cu câmpul magnetic învârtitor. Rotorul în
motoarele sincrone este alimentat cu curent de către o excitatoare, acest lucru rezultând într -o
constructive complicate. Excitatoarea este alimentată de la un transformator și un
cicloconvertor de excitație. Convertorul de excitare este un convertor trifazat cu un tiristor de
tip "spate în s pate" care poate să reguleze puterea.

4.3 Sistemul de control a propulsiei Azipod
Sistemul de propulsie Azipod poate fi împărțit în patru subsisteme, primul fiind unitatea
de control a propulsie ca punct central. Alte sisteme: unitatea interfață Azipod, unitatea de
control de la distanță și sistemul de guvernare. Sunt o mulțime de senzori de temperatură,
pompe, valvule și sisteme de lubrificare în interiorul sistemului AZIPOD care trebuie
monitorizate și controlate.
Unitatea de guvernare controlează unghiul azimutal a sistemului AZIPOD bazat pe o
referintă. Unitatea de comandă/direcție se realizează cu un motor electric sau hidraulic, ambele
având avantaje și dezavantaje. Căpitanii și piloții interacționează cu sistemul de control a
propulsiei prin u nitatea de control de la distanță.
În ordine de a crea și înțelege sarcina sensibilă pentru motorul de propulsie, dinamica
elicei și nava, mediul înconjurător trebuie studiat în mare detaliu. Sunt două tipuri diferite de
elice: elica cu pas fix și el ica cu pas reglabil. Sitemele AZIPOD au elica cu pas fix.
Cuplul elicei este afectat de urmatoarele fenomene si condiții de operare:
 Proprietațile elicei:
– dinamica și proprietațile fizice (marimea, pasul palei, numarul de pale);
– viteza de rotație;
– cavitația;
– ventilația;
– direcția apei de influx;
– pierderi de cuplu;
– alunecari.
 Conditii de operare:
– proprietațile apei: densitatea (temperatura si salinitatea);

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
29
– valurile;
– curenții;
– vantul;
 Proprietațile navei:
– numarul de elice;
– rezistența navei;
– unghiul de manevrare.
Cavitația reprezintă formarea de bule de vapori într -un lichid datorită scăderii
de presiune. Cavitația cauzează vibrații și deteriorarea palelor elicei.
O elice cu pulsație este o elice cu o duză montată în jurul palei. Canalul crește eficiența
la un nivel mai scăzut dar este dezavantajos la viteze mai mari. O elică înclinată este o elice cu
un unghi mai mare al palei. O elice mai înclinată este mai sensibilă și absoarbe mai mult cuplu
in condiții grele, în t imp ce o elice cu pulsație nu absorbe prea mult. În condiții grele, elicele
pot fi ventilate. Ventilația produce cuplu oscilant si vibrații la POD și nava.
Unele proprietăți sunt statice, cum ar fi dimensiunile elicei și pasul, în timp ce unele
variază î n funcție de timp, de exemplu mediul și vegetația. Forțele principale au un impact
asupra propulsiei navei, sunt de -a lungul direcției inainte (supratensiune). Din perspectiva
eficienței, palele de elice ar trebui să fie mari și puține, însă elicele mai ma ri necesită mai mult
spațiu și o scufundare mai mare a corpului. O scufundare mai mare conduce la o rezistență mai
mare a corpului.

4.4 Teoria sarcinii elicei
Numeroase studii au fost efectuate despre proiectarea si dinamica elicei, sistemele de
propulsi e electrice si controlul elicei. Acestea vor fi luate in considerare atunci cand va fi
realizata simularea, pentru a semana cu scenario reale din viata de zi cu zi. Dinamica elicei
trebuie sa fie inteleasa pentru a crea o sarcina cu proprietati fizice pent ru elice.
Consumul de putere al elicei este notat cu:
𝑃= 2π𝑛𝑄𝑝 (4.1)

unde 𝑄𝑝 este cuplul elicei iar 𝑛 este viteza elicei in RPM (rotatii pe minut).
Cuplul elicei este exprimat in felul urmator:
𝑄𝑝= 𝜌𝑛2𝐷5KQ (𝑉𝑎, 𝑛) β (ℎ, 𝑛) (4.2)

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
30
unde 𝜌 este densitatea apei, D este diamtrul elicei, KQ este coeficientul cuplului și β reprezintă
pierderile de cuplu. Coeficientul de cuplu este o funcție a vitezei apei de influx a elicei, 𝑉𝑎 este
viteza elicei. Factorul β de pierderi de cuplu este o funcție a imersiunii axului elicei și asupra
vitezei elicei. Factorul de pierderi de cuplu poate să fie mai mare sau mai mic decât unitateaa,
în funcție de condițiile de încărcare a elicei, cum ar fi viteza apei de influx și direcția. Constanta
cuplului KQ depinde de viteza elicei, direcția de rotație, viteza de influx a apei, dimensiunile
elicei și pasul elicei, unghiul POD -ului și dacă elicea este una cu pulsație sau nu.

Numarul avansat al elice i este notat cu:
𝐽=𝑉𝑎/𝑛𝐷 (4.3)

Corpul navei prea aproape de elica afectează eficiența datorită scăderii de influx de apă la elica
datorită câmpului "wake". Acesta afectează eficacitatea elicei. Numărul fracției "wake" este dat
𝑤=(𝑉−𝑉𝑎) 𝑉 (4.4)

unde V este viteza navei la linia de plutire a apei.
Combinând ecuațiile (3) și (4) rezultă o viteză estimativă a navei
𝑉=𝑛𝐷𝐽(1−𝑤) (4.5)

4.5 Sistemul de control a propulsiei diesel – electric
Această secțiune se bazează pe descrierea funcțională a software -ului sistemului de
comandă a propulsiei. În mod tipic, o navă are mai multe motoare diesel și generatoare care
generează energie pentr u consumul la bord. Principalele componente pentru propulsia electrică
sunt centralele electrice, sistemul de propulsie și sistemul de comandă. Conceptul întregului
sistem este dat în figura 4.7.
Centrala electrică este formată din motoare diesel, generat oare, întrerupătoare, tablouri
de comutare, convertoare și un sistem de management al energiei (PMS). PMS gestionează
producția de energie și controlează câte motoare diesel funcționează în funcție de consumul de
energie.
Sistemul de propulsie utilizează energie electrică și constă din convertoare de frecvență
care alimentează motorul electric care transformă energia în mișcare mecanică. Aceste motoare
electrice rotesc elic ele care deplasează nava.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
31

Fig 4.7 Centrala electrica a navei
Sistemul de contro l al propulsiei (SCP) constă din echipamente care permit
direcționarea navei. SCP este construit din unități de comandă a propulsiei (UCP), butoane,
panouri și lămpi de indicare. Acestea sunt situate în diferite locuri din jurul navei. Există un
sistem de control pentru fiecare Azipod, iar sistemele diferitelor Azipode comunică între ele.
La nivel de concept, propulsia electrică este prezentată, dar există variații ale
configurației datorită ratingului de putere și a mediului de funcționare.
UCP gestioneaz ă în principal operațiunile legate de propulsie. Pe scurt, UCP monitorizează
cererea de propulsie din partea operatorului și verifică dacă este permisă rotirea elicei și
transmiterea vitezei de referința la sistemul de propulsie.
Panourile, butoanele și d ispozitivele de manevră fac parte din sistemul de telecomandă
(SDT). Aici operatorul interacționează cu sistemul de propulsie.
Sistemul de control al propulsiei conține o unitate de comandă a propulsiei și o unitate
de interfață Azipod care se ocupă de co ntrolul și monitorizarea componentelor situate în
interiorul azipodului, unde există mai multe emițătoare de temperatură și presiune, pompe și
supape.

4.6. Protectiile centralei electrice
4.6.1. Interblocarea
Există multe blocări care împiedică pornirea propulsiei pentru a garanta siguranța
oamenilor și a mașinilor. Există ambele blocări de pornire pentru pornirea și blocarea rulării

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
32
pentru funcționare. Starea tuturor interblocărilor este vizibilă pe ecranul panoului operatorului.
Software -ul calculatoru lui controlează interblocările în ceea ce privește starea procesului,
execută interblocarea si închide întrerupătorul de alimentare la unitate, "începeți blocarea".
Unitatea verifică la rândul său starea internă si dacă este permisă pornirea motorului de
propulsie. Acestea sunt două functii separate de interblocare și ambele pot împiedica în mod
independent pornirea propulsiei.

4.6.2. Funcții de protecție pentru limitarea cuplului
Puterea de propulsie permisă trebuie să fie limitată în anumite situații, pentru mai multe
motive de siguranță. Principiul de limitare a puterii este limitarea referinței cuplului de la UCP.
Coborârea cuplului motorului va reduce puterea utilizată. Când o limitare este activă lampa de
limitare a luminii este aprinsă în toate locurile de control. În cazuri normale, cuplul este limitat
la valoarea nominală a cuplului. Cuplul poate fi, de asemenea, limitat la o limită definită de
operator.
Principalele limitări sunt limitarea generatorului, a motorului de propulsie și a c uplului.
Controalele de limitare a puterii disponibile sunt verifica câte generatoare sunt conectate la
rețea și cate dispozitive de propulsie sunt conectate. Atunci când alte dispozitive de propulsie
se conectează la rețeaua de putere, calculul puterii di sponibile împarte puterea între generatoare.
Calculul puterii disponibile ia în considerare sarcina de serviciu a navei. Sarcina de
serviciu sau sarcina hotelului este puterea care este rezervată pentru altceva inafara de
propulsie, nu toată puterea de la generatoare este menita să fie utilizata pentru propulsie. SCP
nu echilibrează sarcina între generatoare, ci doar limitează consumul maxim de energie.
Puterea disponibila este calculate in modul următor:
𝑃𝑎𝑣𝑙 = (Σ𝑃𝑛𝑜𝑚 ∗ 𝑂 − 𝐿)/ 𝑑 (4.6)

unde 𝑃𝑎𝑣𝑙 este puterea disponibilă pentru AZIPOD, 𝑃𝑛𝑜𝑚 este evaluarea de putere a
generatorului nominal, O este setarea limită setata de operator, L este rezerva de putere pentru
alceva inafară de propulsie si d este numarul unitaților de propulsie conectate la retea.
Dacă un generator urmează să depășească puterea nominală, SCP protejează centrala
electrică prin reducerea puterii de propulsie. Există, de asemenea, limitări ale puterii de la
frecvența redusă și ridicată a rețelei, adică deviațiile de la frecvența proiectată de 60 Hz. Când
frecvența rețelei scade sub o valoare specifică, puterea este limitată pentru ca centrala să se
recupereze de subfrecvență.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
33
Dacă frecvența rețelei scade prea mult, sistemul de propulsie este complet o prit. Există
o protecție similară pentru frecvența înaltă. Atunci când situația de subfrecvență este rezolvată,
puterea de propulsie se va recupera automat. Limitarea puterii nu rezolvă problema inițială, ci
previne daunele suplimentare și ajută recuperare a la funcționarea normală.
Dacă unul din generatoare se tripează cu o sarcină în timpul operației, SCP va reduce
puterea de propulsie pentru a reduce sarcina rămasă care va fi transferată către generatoarele
rămase. Tripul și transferul de sarcină reprezi ntă o schimbare mare treptată a centralei electrice.
Totuși, dacă întrerupătorul generatorului este deschis fără sarcină, SCP nu reduce puterea.
Există limitări ale puterii de la unghiul de direcție Azipod pentru a limita stresul mecanic
al POD -urilor și limitările bazate pe diferite moduri de funcționare. Există mai multe
traductoare care măsoară temperaturile motorului în Azipod. În cazul temperaturii ridicate,
motorul este protejat prin reducerea puterii de propulsie.

4.6.3. Funcții de protecție în ca zul tripuirii
Există trei clase de defecțiuni pentru sistemul de propulsie. Defecțiunea de clasă 1 va
împiedica funcționarea motorului de propulsie. De exemplu, dacă unitatea funcționează și
întrerupătorul de alimentare al unității este deschis, se declan șează o eroare de clasa 1.
Anomalia de clasă 2 va opri modularea unității; Prin urmare, oprirea motorului de propulsie.
Unitatea va rămâne în modul de așteptare pentru o pornire rapidă, după remedierea cauzei
defecțiunii. Defecțiunea de clasă 2 nu deschide întrerupătorul de alimentare al unității. Un
exemplu de defecțiune de clasă 2 este viteza motorului.
Există o posibilitate specială de întoarcere a revenirii la modul normal de propulsie.
Dacă defectul dispare rapid, forța de tracțiune se va recupera aut omat și va începe să moduleze
și să urmeze referința activă. Dacă defecțiunea rămâne activă mai mult timp, împingerea nu
pornește automat. În acest caz, operatorul trebuie să apese butonul "întoarcere". Când funcția
de împingere a întoarcerii este disponib ilă, butonul de împingere a revenirii clipește. După
apăsarea butonului, UCP va urma referința locului de control activ.
În mod normal, o eroare împiedică funcționarea, dar defecțiunea de clasa 3 permite
operatorului să decidă dacă defecțiunea ar trebui s ă fie suprascrisă. Defecțiunea din clasa 3
poate fi, de exemplu, o temperatură ridicată a lichidului în motorul de propulsie. Aceasta poate
fi o citire defectuoasă dacă un transmițător are o semnificație de temperatura mai mare decat
restul. Aceasta indică funcționarea defectuoasă a acestui punct de măsurare și defecțiunea ar
trebui să fie înlăturată. Atunci când defecțiunea este depășită, nu se iau măsuri de protecție.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
34
Dacă operatorul ignoră defecțiunea, va fi activată o eroare de clasa 1 sau 2 în funcție de
sursă. Există un buton de deplasare a siguranțelor în console pentru a suprascrie defectele de
clasa 3.
Cu acest buton, operatorul poate suprascrie ambele defecțiuni din clasa 3 și poate ignora
anumite porniri de interblocare. Nu este normal să operaț i sistemul în modul de suprascriere a
siguranței, limitele și blocările sunt acolo pentru a proteja siguranța oamenilor și a sistemului.

4.7 Modelarea motorului sincron de propulsie
4.7.1 Regimul staționar al motorului sincron cu magneți permanenți
Sunt prezentate și explicate la acest paragraf relațiile fundamentale în regim staționar
pentru: inducție magnetică în întrefier, turație, tensiunea electromotoare, densitatea curentului
statoric; puterea electromagnetică, reactantă sincronă (subtranzitorie ș i tranzitorie), cuplul
electromagnetic dezvoltat, factorulde formă a câmpului de excitație, tensiunea magnetomotoare
echivalentă, reactantă de reactive a statorului.
4.7.1.1. Diagrame fazoriale – când se trasează diagramele fazoriale ale mașinilor
sincr one se folosesc două sisteme de fazori:
a) convenția de semne de la generator, adică:
(4.7)
b) convenția de semne de la receptor, adică:
(4.8)

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
35

Fig.4.8. Diagrame de fazori ale motorului sincron cu poli proeminenți pentru convenția de
semne de la receptor, motor subexcitat

Fig.4.9. Diagrame de fazori ale motorului sincron cu poli proeminenți pentru convenția de
semne de la receptor, motor supraexcitat

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
36

Fig.4.10. Diagrame fazoriale pentru determinarea: axelor curenților aqIad I

Fig.4.11. Diagrame fazoriale pentru determinarea puterii de intrare la funcționarea la
inPadIaqI δ.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
37
4.7.1.2. Caracteristici

Fig.4.12. Caracteristicile în gol ale unui motor sincron cu MP

Fig.4.13. Caracteristicile de performanță ale unui motor sincron cu MP: Curentul statoric,
cuplul la arbore transmis, puterea de intrare, factorul de putere IshMinP ϕcos și randamentul
ηîn funcție de, P is/PisN, unde P isN este puterea nominală de ieșire.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
38
4.7.2. Regimul nestaționar (dinamic) al motorului sincron cu magneți permanenți
4.7.2.1. Ipoteze simplificatoare
Modelele dinamice sunt preferate celor staționare deoarece motorul se presupune a fi
inclus într -o schemă de reglare care trebuie să ia în cons iderare regimurile tranzitorii.
Pentru modelele dinamice se iau în considerare următoarele ipoteze simplificatoare:
 fluxul din întrefier este sinusoidal distribuit și orientat pe direcție radială, atât datorită
înfășurărilor statorice cât și magneților pe rmanenți din rotor;
 materialul magnetic permanent are o curbă liniară de demagnetizare, independentă de
temperatură;
 saturația magnetică în întrefier este neglijată și pierderile din fier, datorate curenților de
histerezis și celor turbionari, sunt neglijate;
 rezistențele și inductanțele sunt independente de temperatură și frecvență;
 întrefier uniform și structură magne tică uniformă.

Fig. 4.14. Secțiune prin masina sincrona cu doi poli

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
39
4.7.2.2. Ecuațiile de stare
Pentru a reprezenta în spațiul stărilor trebuie să rescriem ecuațiile în derivatele
temporale ale mărimilor de stare:
(4.9)
(4.10)
(4.11)
(4.12)

4.8. Comanda convertoarelor de putere
4.8.1. Introducere
Într-o acționare electrică convertorul de putere funcționează ca un amplificator de
putere, reproducând semnalele de reglare de nivel de pu tere redus, generate de regulatoarele
sistemului de reglare, în semnale de nivel de putere corespunzător pentru mașina electrică.
4.8.2 . Convertoare cu circuit intermediar de curent continuu și invertoare PWM
O posibilitate de a transforma frecvența f a rețelei în frecvență variabilă f1 este aceea de
a utiliza două trepte de transformare și anume:
 energia de curent alternativ de tensiune și frecvență constante se transformă în energie de curent
continuu prin intermediul unui redresor cu funcționare în d ouă sau patru cadrane;
 energia de curent continuu din circuitul intermediar se transformă în energie de curent alternativ
de tensiune și frecvență variabile folosind un invertor static .

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
40
4.8.3. Invertoare PWM comandate în curent

4.15. Schema -bloc generală a sistemului PWM cu reglarea curentului pentru a produce o
sursă trifazată reglabilă de curent.

Un invertor PWM comandat în curent, operând cu frecvențe de comutație în domeniul
kHz-ilor, poate funcționa ca sursă reglabilă de curent având un răspuns dinamic bun și un
conținut armonic redus.

4.8.3.1. Regulatoare PWM cu histerezis
Cel mai simplu tip de regulator de curent PWM este regulatorul cu histerezis.
Conceptul de bază al acestui tip de regulator este ilustrat în figura 4.16:

Fig. 4.16. Regulator de curent cu histerezis pentru o singură fază.

Ciclul limită va putea fi ocazional întrerupt prin apariția intermitentă a vectorului de
tensiune zero. Un vector de tensiune zero se produce când una dintre liniile de comutație este
sărită ca rezultat al survenirii t.c.e.m. sau rezistenței, sau prin mișcarea diagramei de comutație
cauzată de schimbări ale referinței de curent. Aplicarea unui vector de tensiune zero va reduce
mult frecvența de comutație a invertorului când t.c.e.m. este redusă deoarece viteza de -a lungul
unei traiectorii este proporțională cu tensiunea totală.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
41
4.8.4. Invertoare PWM comandate în tensiune Schema -bloc de principiu a comenzii
în tensiune a invertoarelor PWM este reprezentată în figura 4.17:

Figura 4.17. Schema -bloc de principiu a comenzii în tensiune a invertoarelor PWM.
4.8.4.1. Generarea vectorilor.
Sensul potențialelor bornelor a, b, c ale sarcinii (mașinii trifazate) pentru fiecare
interval de comutație. În intervalul 0 – 600 el. trebuie ca: Ua= + E; Ub= – E și Uc= – E

Figura.4.18. Invertor trifazat în punte: a) schema de principiu; b) vectorii spațiali de tensiune
generați.
Cei opt vectori de tensiune sunt reprezentați în figura 4.18. Modul de generare a
vectorilor este sintetizat în tabelul 4.1.

Tabel 4.1.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
42
Timpul de aplicare al fiecărui vector elementar este:
(4.13)
4.8.5. Compensarea tensiunilor de comandă
Compensarea tensiunilor de comandă este, așa cum am afirmat anterior, necesară în
regiunea de slăbire de flux . Aici, componentele pe axele d și q ale tensiunii, derivate din reglarea
de curent și decuplare, pot genera o tensiune statorică rezultantă Us care depășește tensiunea
maxim disponibilă de la convertor Usm.
În cazul în care tensiunea statorică de referi nță rezultantă depășește tensiunea maximă
a convertorului, regulatoarele de curent pe axele d și q sunt saturate și se afectează reciproc.
Rezultatul este că răspunsul în curent se înrăutățește, iar curenții din motor nu pot urmări
referințele impuse.
Compensatorul tensiunii de comandă este un algoritm soft care alege valorile optime
pentru tensiunile de referință și astfel încât să poată fi reglat preferential.

4.19. Schema logică a algoritmului de compensare a tensiunilor de comandă

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Studiul tehnic al
sistemului de propulsie electri că cu motor sincron alimentat cu cicloconvertor
43
4.8.6. Bucla de reglare a vitezei
Sunt prezentate schemele de acționare reglabilă cu mașina sincronă cu invertor PWM
comandat în curent și schema de acționare reglabilă cu mașină sincronă utilizând un invertor
PWM comandat în tensiune.

4.9. Concluzii
Teoria și modelarea motorului sincron cu magneți permanenți aprofundează regimul
staționar și regimul nestaționar (dinamic).
Regimul staționar al masinii sincrone cuprinde relațiile fundamentale specifice ale
mașinii, diagramele fazoriale și caracteristicile mașinii.
Regimul nestaționar utilizat în sistemele de reglare genera le ale acționărilor electrice
tratează, într -o manieră originală, ecuațiile de stare.
Pentru alimentarea motorului sincron se utilizează invertoare PWM comandate în
tensiune.
Sistemul PWM comandat în curent utilizează regulatoare PWM cu histerezis (cele mai
utilizate) și regulatoare cu comparator cu semnal rampă. Pentru regulatoarele PWM cu
histerezis se prezintă în mod original diagramele de comutație în planul complex și se
demonstrează existența posibilelor cicluri limită de frecvență ridicată. În cazul invertoarelor
PWM comandate în tensiune curenții sunt reglați în buclele de cuplu sau vit eză iar generarea
vectorilor de tensiune se efectuează pe baza modulării simetrice. De asemenea se realizează un
algoritm soft pentru compensarea tensiunilor de comandă, care prin alegerea valorilor optime
ale tensiunilor de referință să permită reglarea p referențială a componentei a curentului față de
componentă.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

44
CAPITOLUL V
SIMULARE, DATE EXPERIMENTALE,
PROTECȚII ȘI EXPLOATARE

5.1. Motorul sincron cu magneți permanenți . Modelare în SIMULINK
Motorul sincron cu magneți permanenți este un sistem staționar cu 3 faze, a, b și c. Pentru
a controla viteza lui se folosește un sistem simplu de control al frecvenței. Metoda folosește
curentul de pe 2 faze pentru a determina magnitudinea la care ar trebui tensiunea să crească viteza
motorului, aceasta fiind calculate cu o serie de cotații. O viteză de referință este c alculată pentru a
menține rația tensiune -frecvență și prin folosirea stabilizatorului se asigură că motorul nu va ieși
din sincronizare când viteza crește.

Fig. 5.1. Model SIMULINK motor sincron cu magneți permanenți

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

45

Fig. 5.2. Calcularea tensiunii
Variabilele cu care se calculează magnitudinea tensiunii sunt cei 2 curenți din stator i as și
ids și pozitia vectorului de tensiune în poziție staționară s.
Vectorul de tensiune se calculează astfel:
Frecven ța aplicată, f 0 este folosită pentru calcularea vitezei motorului:

𝜔=2𝜋𝑓0 (5.1)

Pentru a obține unghiul vectorului de tensiune (14), (15) se integrează în funcție de timp :
𝜃𝑒= ∫𝜔𝑑𝑡 (5.2)

Tensiunea necesar ă pe motor se calculează cu (15.) :

𝑣𝑠=𝑉𝑠 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) (5.3)

unde V s este magnitudinea tensiunii, iar  este viteza (14) În figura 5.3. se observă ce se întâmplă
dacă frecvența este modificată fără integrare, motorul iese din sincronism pe perioada modificării
frecvenței.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

46

Fig. 5.3. Modificarea frecvenței fără integrare

Când frecvența este integrată :

Fig. 5.4. Modificarea frecven ței cu integrare

Pentru calcularea tensiunii de comandă este necesară calcularea magnitudinii vectorului de
curent i s:
𝑖𝑠=√(𝑖𝑑𝑠𝑠)2+(𝑖𝑞𝑠𝑠)2=√1
3(𝑖𝑎𝑠+2𝑖𝑏𝑠)2+(𝑖𝑎𝑠)2 (5.4)
𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠∅=2
3[𝑖𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑠𝜙𝑒+𝑖𝑏𝑠 𝑐𝑜𝑠(𝜙𝑒−2𝜋
3)−(𝑖𝑎𝑠+𝑖𝑏𝑠)𝑐𝑜𝑠(𝜙𝑒+2𝜋
3] (5.5)
din (5.4) și (5.5) se obține tensiunea :

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

47
𝑉𝑠=(𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠∅)𝑟𝑠+√(2𝜋𝑓0𝜆𝑚)2+(𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝜙 )2𝑟𝑠2−𝑖𝑠2𝑟𝑠2 (5.6)
unde m este fluxul magnetic al motorului și r s este rezistența înfășurării statorului pe o fază.

Fig. 5.5. Blocul de comandă al tensiunii generatorului
Viteza motorului se va mări odată cu tensiunea și se creează instabilitate. Această
instabilitate poate duce la desincronizarea motorului. În figura următoare se poate observa evoluția
frecvenței în funcționarea fără sarcină:

Fig. 5.6. Evoluția frecvenței în funcționarea fără sarcină
În figura 5.7. se poate observa evoluția frecvenței în 3 situații : fără sarcină, cu sarcină medie
și cu sarcină maximă.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

48

Fig. 5.7. Evoluția frecvenței în funcționarea cu sarcină
Stabilizatorul are rolul de a împiedica motorul să iasă din sincronism și s -a implementat
sistemul din figura următoare :

Fig. 5.8. Stabilizatorul
Puterea de intrare este calculat ă în funcție de magnitudinea tensiunii și de curentul din stator
după cum urmează :

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

49
𝑝𝑒=3
2𝑣𝑠𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝜙 (5.7)
Pentru a extrage perturb ațiile din puterea de intrare se folosește un filtru pentru stabilizarea
sistemului :
𝑘𝑝=𝑐1
𝑤0,𝑤0≠ 0 (5.8)
5.2. Motorul sincron cu magneți permanenți . Rezultatele simul ării.

Fig. 5.8. Tensiunea de comandă
În primele secunde de funcționare avem o tensiune constantă deoarece se dorește verificarea
motorului dacă este în sincronism. Amplitudinea va crește până când motorul va ajunge la viteză
de rotație maximă și va rămâne constantă pentru a păstra viteza de rotație.

Tensiunea aplicată pe fiecare fază este exemplificată in figura 5.9.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

50

Fig. 5.9. Tensiunea aplicată pe fiecare fază

Aici putem observa că amplitudinea tensiunii crește funcție de timp ca și în figura 5.8. Este
evident că sistemul de control al tensiunii, stabilizatorul, funcționează corect, pentru că rația dintre
tensiune și frecvență este constantă.
În figura 5.10. se poate observa evoluția frecvenței.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

51

Fig. 5.10. Evoluția frecvenței funcție de timp

În figura 5.11. Se poate observa viteza de referință și viteza actuală a motorului în același grafic

Fig. 5.11. V iteza d e referință și viteza actuală a motorului

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Simulare, date
experimentale, protecții și exploatare

52
Arată că o singură linie, da r când mărim imaginea (fig.5.12 .); putem vedea cum viteza
actuală oscilează în jurul vitezei de referință. Aceste oscilații vor scădea și apoi vor crește pe măsură
ce motorul trece într -o zonă cu o frecvența instabilă.

Fig. 5.12. V iteza de referință și viteza actuală a motorului (imagine marit ă)

Simularea controlului vitezei V/f pentru un motor sincron pare să funcționeze corect .

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Concluzii finale
53
CONCLUZII FINALE

Concluziile finale ale lucrării de disertație se prezintă pe scurt în cele ce urmează:
Capitolul 1. Sunt prezentate informațiile generale despre nava de referință.
Capitolul 2. Cuprinde o descriere a centralei electrice a navei, a evoluției sistemelor de
propulsie electrică de -a lungul timpului, a dezvoltării semiconductoarelor și amplificatoarelor și a
procesului de autoexcitare.
Capitolul 3. Este dedicat studiul sistemelor de propulsie POD și AZIPOD, unde se are în
vedere reduc erea spaț iului din compartimentul mașin ă, împingerea maximă în orice direcție,
indiferent de viteză navei, a propulsorului azimutal care are o capacitate de a se roți cu 360 grade.
Un sistem modern de propulsie care reușește să indeplinească cu succes ceri nțele cu privire la
flexibilitate, spațiu minim ocupat și care oferă în plus navei o capacitate manevrieră deosebită. În
acest capitol sunt prezentate avantajele și dezavantajele sistemelor de propulsie de tip POD și
AZIPOD.
Capitolul 4. Se tratează com anda convertoarelor de putere dest inate alimentării MSMP pe
invertoarele PWM comandate în curent și invertoarele PWM comandate în tensiune. Diagramele
de comutație în planul complex ale invertoarelor comandate în curent cu regulatoare cu histerezis
și exis tența unor cicluri limită de frecventă ridicată reprezintă contribuții originale ale autorului.
Importanța și funcționarea cicloconvertorului în reglarea vitezei și cuplului necesar
propulsiei navei la viteza dorită
Pentru invertoarele comandate în t ensiune contribuțiile originale se referă la deducerea –
pe bază modulației PWM simetrice – a tabelelor de generare a vectorilor spațiali de tensiune și ai
timpilor de aplicare ai acestora pentru incărcare în memoria microcontrolerului; realizarea
algoritm ului soft pentru compensarea tensiunilor de comandă.
Reprezentarea diagramelor de fazori a regimului staționar al motorului sincron cu magneți
permanenți și caracteristicile de mers în gol al unui motor și caracteristicile de performanță ale unui
motor sincron. Regimul nestaționar utilizat în sistemele de reglare generale ale actionărilor electrice
tratează, într -o manieră originală, ecuațiile de stare.
De asemenea se realizează un algoritm soft pentru compensarea tensiunilor de comandă,
care prin al egerea valorilor optime ale tensiunilor de referintă, să permită reglarea preferentială a
componenței curentului fată de componentă.

Navă de pasageri cu 400 de locuri. Modelarea propulsiei electrice cu motoare sincrone / Concluzii finale
54
Capitolul 5. În acest capitol este prezentat în Simulink importanța stabilizatorului, calculul
vectorului de tensiune, r eprezentarea grafică a raportului dintre amplitudine și frecvență, evoluția
frecvenței în mai multe situații cum ar fi mersul fără sarcină, cu sarci nă medie și cu sarcină maximă.
Experiența recentă, cu o combinație a centralei diesel -electrice și sistem ului de propulsie
Azipod a arătat că conceptul ar fi o soluție atractivă pentru diferite tipurile de nave. Eficiența totală
imbunătătită, în plus fată de alte avantaje, cum ar fi manevrabilitatea sporită, redundanț a, reducere
de echipament, simplitate și fiabilitatea dovedită a proiectului, poate fi realizată în majoritatea
proiectelor de nave.
Analiza de fezabilitate pentru un nou proiect ar trebui să fie întotdeauna efectuat impreună
cu constructorul de nave. Acest lucru se datorează faptului că concep tul propulsiei Azipod modifică
nu numai modul de proiectare și operare ci și modul în care sunt construite navele.

55
BIBLIOGRAFIE

1. ABB Industry Oy (1998 -09-15). ACS 6000c Cyclo converter for high performance
speed and torque control of 1 to 27MW synchronous motors , Helsinki/Finland, ABB.
2. ABB Oy, Marine (2007 -04). Project Guide for Azipod® Propulsion Systems Version 6.1 ,
Helsinki/Finland, ABB.
3. ABB Switcherland Ltd (2007). ACS 6000 Medium voltage AC drives for control of 3 – 27 MW
motors up to 3.3 kV , Turgi/Switzerland, ABB.
4. ABB Switzerland Ltd, MVAC Drives (2006). Medium Voltage AC Drives , Switcherland.
5. ABB Switcherland L td (2006). Megadrive – LCI, Medium voltage AC drive for control and soft
starting of large synchronous motors , Turgi/Switzerland, ABB.
6. Alstom (2001). Alspa Drive Range, Drive solutions for all applications , France, Alstom.
7. Asea Brown Boveri Jumet s.a. (199 9). Power Quality Filter Active Filtering Guide ,
Jumet/Belgium, ABB.
8. Bingchuan, Yin, Hai, Huang, Xiuming, Ren (2001). High -power Multi -phase Permanent Magnet
Propulsion Motor , China, Wuhan Ship Electric Propulsion Research Institute.
9. Converteam (2007 -02a). MV7000 Entering a new dimension for reliability and performance in
medium -voltage AC drives , Belgium, Converteam.
10. Costello, Michael (1993 -03). Shaft Voltages and Rotating Machinery , Bellaire/USA, IEEE
Transactions on Industry Applications Vol. 29 No.2.
11. Division of Electric Power Engineering. Elteknik , Gothenburg/Sweden, Chalmers University of
Technology.
12. Enon, J, Lateb, R, Meibody -Tabar, F, Mirzaian, A, Sarribouette, A, Takorabet, N (2005).
Performances Comparison of Induction Motors and Surface Mounted PM motor for POD Marine
Propulsion , France, Inpl -Green/Alstom Power Conversion.
13. Erdman, Jay M, Kerkman, Russel J, Schlegel, David W, Skibinski, Gary L (1996 -04). Effect of
PWM Inverter on AC Motor Bearing Currents and Shaft Voltages , Dallas/USA, I EEE
Transactions on Industry Applications Vol.32 No.2.
14. Oh, William (2007 -04). Preventing Damage to Motor Bearings , United States, HPAC
Engineering.

56
15. Radan, Damir (2004 -11-11). Power Electronic Converters for Ship Propulsion Electric Motors ,
Trondheim/Norway , Department of Marine Technology NTNU.
16. Rolls -Royce Power Engineering plc (2006). A balanced marine product portfolio ,
England, Rolls -Royce Marine.
17. Takasu, Junzo (2004). Progress of Marine Engineering Technology in the year 2003 , Japan,
Journal of the JIME Vol.29 No 7 -8.
18. Wang, F. (1999). Motor Shaft Voltages and Bearing Currents and Their Reduction in Multi -level
Medium Voltage Source Inverter Drive Application , Salem/USA, GE Industrial Systems.
19. Ådnanes, Alf -Kåre (2003 -04-22). Maritime Electrical Installations and Diesel Electric
Propulsion , Olso/Norway, ABB AS Marine.
20. P.D Chandana Perera, Frede Blaabjeg, John K, Paul Thohersen, "A Sensorless, Stable V/f
Control Method for Permanent Magnet Sy nchronous Motor Drives" January
21. 2003 J.P. Agrawal, "Power electronic systems: theory and design," Prentice Hall, New Je rsey,
22. International Rectifier. (2003, May). HV Floating MOS -Gate Driver ICs. International Rectifier
Application Note. [Online] . AN978 -D, pp. 1 -10. Available: http://www.irf.com
23. J. Adams. (200 3, May). Bootstrap component selection for control IC's. International
24. Rectifier Design Tip. [Online]. DT 98 -2a, pp. 1 -4. Available: http://www.irf.com
25. ABB Marine. ABB Marine Portal , (Electronic) Available: <www.abb.com>/Products & services/
Industries & Utilities/ Marine (2007 -11-13).
26. Bernhardsen, Svein (2007). Schottel , (Electronic) Available:<http://www.frydenbopower.no>
/Schottel (2007 -10-08)
27. Converteam (2007 -09-03b). Press Release; Exclusive Cooperation Agreement between
Converteam and DCNS for development of a new generation POD (INOVELIS) , (Electronic)
Available: <www.converteam.se> /What´s new (2007 -10-16)
28. Omron Manufacturing of the Netherlands B.V. (1999). What are inverters , (Electronic)
Available: <http://www.mikrokontrol.co.y u/sysdrive> /WhatInv.htm (2007 -09-14)
29. master_Nylund_Markus_2016
30. Azipod_VI_project_guide_v5
31. Energy Efficiency Guide_Azipod

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: Nava De Pasageri Cu 400 De Locuri. Modelarea Propulsiei Electrice Cu Motoare Sincrone [606583] (ID: 606583)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

Nava De Pasageri Cu 400 De Locuri. Modelarea Propulsiei Electrice Cu Motoare Sincrone [606583]

Copyright Notice

Gentrificarea Comercială și Clasa de Mijloc în Cluj (studiu comparativ a două categorii de localuri) Coordonatori: Conf.univ.dr. Rudolf Poledna… [619677]

Hospitality Management 18 (1999) 345 370 [630109]

De-a lungul ultimilor ani, transportul internațional de containere a crescut dramatic, iar [604482]

VICTOR GH1CAVII, SAVA NICOLAI, BORIS PARII MANUAL DE RECEPTURĂ Ediția a Ill-a, revăzută și completată Chișinău Centrnl Editorial-Poligrafic Medicina… [619610]

Dezv Cognitiva J Piaget 1 [624255]

VETERINAR Ă ION IONESCU DE LA BRAD IA ȘI [622534]

Copyright Notice

Similar Posts