Sistem de Propulsie Electrica Pentru O Nava de Tip Remorcher Proiectarea Sistemului de Propulsie

Sistem de propulsie electrica pentru o nava de tip remorcher – proiectarea sistemului de propulsie

Rezumat

Lucrarea de licență cu titlul „Sistem de propulsie electrică pentru o navă de tip remorcher -Proiectarea sistemului de propulsie” reprezintă rezultatul unei ample documentări în vederea proiectării sistemului la o scală 1:1 folosind date reale și echipamente dimensionate corect cu ajutorul calculelor inginerești, precum și rezultatul unei munci productive pentru realizarea ansamblului demonstrativ destinat controlului și monitorizării unei propulsii electrice.

Capitolul întâi ilustrează, pe scurt, scopul lucrării desfășurate în următoarele capitole.

În capitolul doi este prezentată noțiunea de propulsie a unei nave, tipurile constructive ce au fost folosite de-a lungul istoriei, unele dintre ele fiind folosite încă și în zilele noastre însă cu optimizări eficiente de construcție și funcționare. Sistemul de propulsie electrică este detaliat făcând obiectul unei justificări coerente a alegerii acesteia. Mai apoi se regăsesc câteva tipuri de propulsoare și descrierea lor.

Structura fizică a propulsiei electrice este detaliată în capitolul trei, unde se detaliază conceptul de convertizor static și mașină asincronă. Aceste cunoștințe au fost preluate în mare parte din materia predată de-a lungul celor patru ani universitari în cadrul facultății.

Procesul de propulsare propriu-zis este prezentat în capitolul al patrulea, unde se regăsesc informații despre modul de selecție a mașinii de propulsie, tipul acesteia precum și calculele inginerești de aflare a puterii necesare de propulsare, calcule cu privire la alegerea motorului și a echipamentelor aferente precum a convertizorului și a echipamentelor de răcire. Tot aici s-a finalizat prin oferirea unei soluții finale practice de așezare a echipamentelor în tablouri electrice, astfel încât să fie respectat spațiul impus de client.

Lucrarea este finalizată prin realizarea unei aplicații practice care se regăsește în capitolul cinci.

Realizarea obiectivelor propuse a implicat cunoașterea și aprofundarea conceptelor și a metodelor de analiză proprii disciplinelor de specialitate: mecanică, teoria sistemelor și a semnalelor, electronică de putere și acționări electrice, precum și folosirea algoritmilor și programelor soft specifice teoriei reglării automate.

Capitolul I Introducere

Electronica de putere reprezintă arta de a converti energia electrică dintr-o formă în alta, într-un mod eficient, curat, compact si robust pentru o utilizare cu mult mai practică a acesteia.

Luând în considerare ultimele tendințe în materie de protecție a mediului cât si în materie de economisire a energiei, putem observa că industria navală se conformează, punând umărul împreună cu celelalte industrii grele în cercetarea și găsirea unor noi soluții de diminuare a noxelor, creștere a randamentului si eficientizare a consumului. Astfel, această industrie realizează importante salturi când vine vorba de cercetare dar și de implementare a unor noi sisteme de propulsie ecologice. Electronica de putere, în strânsă legătură cu automatizările, au un însemnat aport in eforturile colective de revoluționare a tehnologiilor actuale.

Drept demonstrație a conceptelor enumerate în lucrare, se va prezenta o aplicație bazată pe un scenariu real, respectiv un sistem de propulsie electrică a unei nave de tip remorcher. Acest sistem are ca scop înlocuirea sistemelor clasice de propulsie a remorcherelor ce folosesc doar motoare diesel, cu motoare electrice, fiind o alternativă ecologică și sigură, compusă dintr-un ansamblu motor electric, convertizor de frecvență, PLC, touch-screen, cutie de control locală și tabletă de control de la distanță.

Sistemul implementat va da dovadă de o eficiență crescută. Argumentele ce vin în sprijinul acestei teorii sunt urmatoarele: eliminarea erorilor de natură umană, diminuarea pierderilor electrice, scaderea poluării fonice, reducerea greutății, creșterea spațiului în camera motoarelor, etc.

Capitolul II Tipuri de propulsie

Propulsia marină este un mecanism sau un întreg sistem folosit în scopul de a genera putere mecanică pentru deplasarea navei pe apă. În timp ce ramele sau pânzele sunt încă folosite pe unele bărci, cele mai moderne nave sunt propulsate de sisteme mecanice constituite dintr-un motor ce învarte o elice, sau mai puțin frecvente, unități cu jet de apă. Ingineria marină este disciplina ce se ocupă cu proiectarea sistemelor de propulsie marină.

Factorii care au transformat cercetările și investigațiile în îmbunătățirea totală a eficienței propulsiei navelor sunt atât de natură economică cât și de natură ecologică. Principalii factori economici se ridică la costurile de construcție, viteza navei, costurile de aranjare și în particular costurile combustibililor. Acestea trebuie combinate în așa fel încât proprietarii de nave să realizeze o rată constantă de returnare a investiției. Principalii factori ecologici contribuie la nivelul de emisii, poluare, zgomot și revărsare a deșeurilor.

Emisiile unei nave includ NOx, SOx și CO2, gaze cu efect de seră. În timp ce NOx și SOx afectează în principal regiunile de coastă, emisiile de dioxid de carbon (CO2 ) au un impact global asupra climatului, fapt pentru care un efort concentrat este făcut de societate pentru a le reduce. Organizația Maritimă Internațională (IMO) coordonează eforturile în domeniul naval și posibilitățile de control a emisiilor a CO2 . Sunt luate în considerare și soluțiile de comerț al emisiilor.

Această extensie a mecanismului de control al emisiilor pentru sistemul navalizat internațional va influența selecția componentelor sistemului de propulsie împreună cu particularitățile navei. Costurile combustibililor au oferit întotdeauna un imperativ economic pentru a îmbunătăți eficiența propulsiei. Importanța relativă a costurilor combustibililor asupra costurilor operaționale influențează selecția parametrilor de design, precum dimensiunile, viteza și modelul comercial. Presiunile economice și ecologice au fost combinate pentru a crea o situație care cere detalii de evaluare a estimării puterii de propulsie și alegerea motoarelor potrivite. Totuși, există câteva schimbări tehnice posibile care vor scădea emisiile dar care nu sunt neaparat eficiente din punct de vedere economic. Multe din echipamentele de alimentare auxiliare ce folosesc energie din surse regenerabile și acoperirea corpului navei solidă, pot face parte din această categorie. Pe baza comerțului de emisii pentru nave, în viitor pot fi introdus ca toate înțelesurile de îmbunătățire a propulsiei și de reducere a emisiilor de gaze ce duc la efectul de seră să fie testate și evaluate, chiar dacă acestea nu vor fi fiabile din punct de vedere economic, funcționarea la o

Reducerea puterii poate fi deasemeni obținută prin scimbările și îmbunătățirile procedurilor operaționale, cum ar fi mersul cu o viteză redusă, rutarea în funcție de vreme, funcționarea optimă regulată, folosind o carenă acoperită hidrodinamic, curățarea carenei și a elicei și stabilizarea la ruliu. Dispozitive auxiliare de propulsie se pot folosi, incluzând asistarea la vânt precum vele, rotoare și turbine de vânt, dispozitive de captare a valurilor și energie solară.

Atunci când se fac estimări de putere este necesar să fie înțelese caracteristicile performanțelor sistemului de propulsie ales, determinând astfel operațiunea și eficiența totală a unității de propulsie.

O cerință fundamentală a oricărui sistem de propulsie al unei nave este conversia eficientă a puterii (P) disponibilă de la motoarele principale de propulsie [principalele care asigură mișcarea navei] în forță de propulsare necesară (T) pentru a propulsa nava la o viteză cerută (V).

Există mai multe tipuri de propulsie:

Motoarele cu aburi (Fig 1.2) au fost primele motoare folosite în propulsia marină, dar aproape toate au fost înlocuite de către motoarele diesel în doi timpi sau în patru timpi și de motoarele cu turbine pe gaz (LNG) pentru navele mai rapide (Fig. 1.3).

Reactoarele nucleare ce produc aburi sunt folosite pentru a propulsa navele militare și spărgătoarele de gheață, dar s-a încercat implementarea lor și pe navele comerciale (Fig. 1.4).

Propulsia hybrida combina propulsia diesel cu cea electrică (Fig. 1.5).

Propulsia electrică poate fi implementată pe aproape orice tip de navă, aceasta îndeplinind chiar si cele mai drastice cerințe, cum ar fi DP-ul (dynamic positioning), redundanța, locația camerei motoarelor, restrictii de spațiu și greutate (Fig. 1.6).

Fiecare tip de motor de propulsie are propriile avantaje și dezavantaje, diferite aplicații și limitări, incluzând atributele fundamentale precum volum, cost și eficiență. Toate aceste opțiuni de propulsie sunt folosite în prezent, iar alegerea unui motor particular de propulsie va depinde de tipul navei, de design-ul său și de condițiile de operare.

La o evaluare generală a sistemului de propulsie marină pentru o anumită navă va fi nevoie de:

Cunoștințe despre puterea de propulsie (T) la viteza (V) și conversia în puterea necesară (P).

Cunoștințe și o evaluare a proprietăților fizice și eficiența motoarelor de propulsie disponibile.

O evaluare a unor varietăți de ansambluri motor-propulsor.

Definiții:

Puterea efectivă (PE) = puterea necesară pentru a trage nava la o viteză impusă

= rezistența totală × viteza navei =RT × VS (2.1)

Puterea de propulsare (PT) = puterea elicei × viteza elicei

= T × Va (2.2)

Puterea furnizată ( PD) = puterea necesară pentru a fi furnizată unității de propulsie

Coeficientul de Cvasi-propulsie (QPC)(D) = (2.3)

Puterea totală instalată va depăși puterea furnizată de către totalul puterii pierdute în sistemul de transmisie (în shaft și în direcție), și de puterea lăsată ca margină de eroare pentru situații de vreme rea, ancrasare și alte situații aspre.

Eficiența la transmisie (T)= (2.4)

Puterea instalată (PI)= (2.5)

2.1 Tipuri de propulsie electrică

Cea mai comună structură de propulsie electrică din prezent este bazată pe motoare de AC si distributie în AC. Folosirea motoarelor de curent continuu si a generatoarelor s-a redus in mare parte, exepție făcând aplicațiile mai speciale din marina militară sau navele de cercetare, principalul motiv fiind eficiența redusă si nevoia de o mentenanță mai intensă în comparație cu motarele de curent alternativ.

Echipamentele tipice ale unei propulsii electrice în curent alternativ sunt :

Motor de viteză medie, cuplat direct la generatorul AC de viteză si frecvență fixă;

Tablou de distribuție ce oferă protecție si izolare de defecte cu ajutorul întreruptoarelor precum si distribuție de la generator către consumatori;

Transformator de tensiune si curent pentru convertizorul propulsiei;

Convertizor de frecvență ce variază frecvența pentru a controla viteza motorului de propulsie;

Motor AC care face conversie din energie electrică în energie mecanică pentru a învarte axul elicei.

Noua soluție de distribuție DC integrată a fost introdusă de ABB în 2011. Aceasta se bazează pe ambele componente AC și DC în scopul de a combina avantajele ambelor soluții.

Lanțul de elemnte constructive ale acesteia este compus din:

Motor de viteză medie cuplat direct la generatorul AC care ruleaza în viteză variabilă, spre exemplu între 40Hz si 60Hz. Viteza este optimizată pentru consumul de combustibil la diferite încărcări;

Redresor pentru a converti AC în DC;

Convertizor de frecnvență pentru conversia din DC in frecvența AC dorită pentru motorul de propulsie;

Motor AC care face conversie din energie electrică în energie mecanică pentru a învarte axul elicei.

În loc de a oferi sistemului protecție din tabloul de distribuție centralizat si prin întreruptoare ca la sistemul pe AC, în sistemul acesta, protecția este distribuită si realizată de combinația dintre controlul convertizorului, siguranțe fuzibile, izolare fizică.

Deasemeni, acest sistem este foarte flexibil pentru integrarea unor surse alternative de energie precum tablourile solare, celule de combustibil sau bateriile, toate bazându-se pe curent continuu.

2.2 Eficiență

Una dintre cele mai importante, frecvente și dificile întrebări din aplicațiile sistemelor de propulsie electrică se leagă de eficiența sistemului. Având o eficiență scăzuta, orice sistem pierde la capitolul de atracție economică. Din acest motiv, inginerii trebuie să aibă o atenție sporită pentru acest aspect.

Eficiența unui sistem de propulsie electrică este un produs de eficiențe ale părților tipice independente ale sistemului precum:

Generatorul electric

Tabloul de distribuție

Transformatorul

Convertorul static

Motorul electric

Sistemul de propulsie poate fi simplificat și reflectat în figura de mai jos (Fig. 2.1)

Eficiența din punct de vedere electric se exprimă cu formula următoare:

(2.6)

Eficiența tipică a fiecărei componente din sistemul nostru a puterii componentelor navei:

Generator : 95-97 %

Tablou de distribuție: 99.99 %

Transformator: 99.1-99.7 %

Convertor static: 95-99 %

Motor electric: 93-97 %

Eficiența puterii electrice totale a sistemului (motorul principal nu este luat în considerare) la încărcare maximă ajunge undeva între 88% și 92% și bineînțeles că eficiența depinde de încărcare. Pierderile totale în sistemul de propulsie electrică ating în medie 10%. În consecință, economisirile de combustibili sunt realizate de către alte soluții cum ar fi locația motorului. Atunci când se realiza aranjamentul clasic al sistemului diesel-mecanic apăreau limitări care nu dădea voie așezării elicei la o adâncime dorită. De aceea elicea se aduce în aria în care influența corpului navei este semnificativă.

De obicei, în sistemul de propulsie electrică se utilizează o elice fixă. Acest lucru economisește bani și simplifică construcția fără a scădea măcar puțin eficiența. Ca și exemplu poate fi luată nava de suport cu propulsie DE ( diagrama de operare Fig. 2.2), unde economisirile de combustibil ajung până la 700 tone/an. Dacă prețul combustibilului este de 1 euro/litru, am face o economie de 700 000 €/an. Acest calcul rapid depinde desigur de modurile de operare al navei.

2.3 Sistemul de propulsie electrică

Sistemul electric marin diferă cu mult în comparație cu sistemele electrice terestre.

Diferențele principale sunt:

Un șir mai lung

Așezare compactă ( echipamentele generatoare amplasate aproape de echipamentele care se utilizează)

Un sistem de control și un sistem de putere ( fără alt subsistem)

Cantitate scăzută de energie ce necesită transformare

Asta înseamnă ca o putere mare este concentrată într-un spațiu mic. Din acest motiv, acest sistem oferă provocări inginerești și oferă o acuratețe mărită și o analiză amănunțită în domeniul de siguranță și control.

În Fig. 2.3 este prezentată cea mai răspândită configurație a sistemului de propulsie electrică, care poate fi divizată în următoarele părți:

Generare de putere

Distribuție de putere

Convertoare statice pentru viteză variabilă

Propulsoare

2.3.1 Generarea de putere

Unitatățile de generare a puterii sunt alcătuite dintr-un motor principal ( de regulă un motor diesel) și un generator de electricitate angrenat de motorul principal. Pentru a spori eficiența, siguranța pentru o distribuție mai bună a puterii electrice, de obicei există cel puțin două unități de generare pe o navă (în cele mai multe cazuri, numărul lor este de ordin par). În mod normal, aceste unități sunt amplasate pe centrul navei în ambele părți simetric și respectând axa longitudinală pentru a dispersa masa uniform și proporțional.

Motorul principal

Motorul principal este de obicei un motor diesel dar uneori sunt și alte tipuri precum: motoare pe gaz, turbine de gaz, turbine cu aburi și alte derivate rezultate din combinarea celor enumerate. Sursa de energie pentru motoarele tradiționale este motorina sau păcura, iar uneori motorina și gazul sunt exploatate în paralel.

Motoarele primare moderne sunt echipate cu o gamă largă de sisteme de monitorizare pentru a fi posibil controlul vitezei de rotație, astfel evitând căderile de viteză și prevenind defectele ce provin de la supraîncălzire, pierderea presiunii uleiului de lubrifiere, supraturație, etc. Un astfel de aranjament este un sistem de control al vitezei electronic care este construit în interiorul acestuia și vine o data cu motorul. Acest sistem lucrează direct cu un actuator care ajustează injectarea de combustibil. Pe lângă reglarea vitezei, unitatea de control compensează căderile care apar atunci când crește încărcarea. Rația de cădere depinde de motor, spre exemplu pentru un generator de la Wartsila, unitatea de control a vitezei este ajustată din fabrică pentru o cădere de 4% la încărcarea dorită.

Generatorul

Pentru a economisi spațiu și pentru a face construcția mult mai eficientă din punct de vedere al costurilor, generatorul poate fi conectat direct la volanta motorului sau poate fi trimis din fabrică ca și generatoare integrate. În schemele generale ale unui motor diesel, se folosesc mașinile sincrone. Generatoarele marine sincrone au câteva diferențe în comparație cu cele clasice.

Generatoarele uzuale marine au:

Numărul de poli: de la 4 până la 10 (viteza de rotație de la 1800 rpm/60Hz până la 600 rpm/50Hz. O distribuție este prezentată în Fig. 2.4.

Excitația: fără perii de către polii exteriori auxiliari generatorului sincron ( DC pe stator, AC inducție în rotorul bobinat apoi rectificare) plaste pe același șhaft

Standarde specifice de montare (de obicei proiectate pentru motoarele diesel alese)

Sistemul de răcire: cu aer având IP 23 sau cu apă având IP44

Excitația, la rândul ei, este controlată de regulatorul automat de tensiune (AVR-automatic voltage regulator). Unitatea AVR este construită în interiorul generatorului. Rolul regulatorului este de a compara tensiunea de la terminalele generatorului cu valoarea de referință și de a menține tensiunea de la terminalele generatorului constantă. Dacă tensiunea variază, AVR-ul afectează excitația. Pentru menținerea balanța puterilor active-reactive și o putere reactivă egală în distribuția generatorului, conectat în paralel, AVR-ul folosește căderile de tensiune care sunt presetate în fabrică la valoarea de aproximativ 3.5% la o încărcare x.

În procesul de proiectare, inginerii aleg mai degrabă să echipeze nava cu un motor principal și un generator separat sau dacă nu, cu un produs integrat – grup electro-gen. Grupul electro-gen este un produs final și are o serie de beneficii inerente lui. Avantajele sunt: parametrii de lucru ale ambelor mașini sunt ajustate, conformate și proiectate pentru fiecare, motorul principal și generatorul sunt montate pe un singur suport iar unele elemente sunt construite pentru a disipa vibrațiile, zgomotul și stresul care s-ar putea extinde în corpul navei.

2.3.2 Sistemul de distribuție

Componentele sistemului de distribuție constituie un grup din două părți principale. Sistemul de distribuție include tablourile de distribuție și transformatorul pentru a alimenta fie consumatori locali, fie motoarele principale.

Tablourile de distribuție

La rândul lor, tablourile de distribuție afectează siguranța, iar dacă acestea ar fi conectate fără a respecta redundanța, ar putea provoca pene de curent în caz de scurtcircuit, foc sau inundații. De aceea așa numitele tablouri de generator sunt împărțite individual, de obicei 2 și 3 sau chiar 4 tablouri. Redundanța sistemului este realizată în general pentru a evita consecințele unui scurtcircuit, astfel se țin cont de cerințe stricte anti inundare și foc. Un astfel de aranjament este realizat pentru ca nava să poată înainta în caz ca un pericol iminent poate apărea dacă nava stă pe loc. De exemplu, în cazul în care tabloul de distribuție este împărțit în două părți și o singură defecțiune (scurt circuit), vasul ar putea să-și continue deplasarea la 50% din putere.

De când avem tensiune stabilă avem și o rată de putere crescută și în special curenți de scurtcircuit care circulă prin intermediul tablourilor de distribuție. Acest curent crește în amplitudine fizic (forțe mecanice), temperatură și capacitățile schimbărilor astfel că peste un anumit prag al curentului, trebuie implementată o distribuție de tensiune. Există recomandări pentru a potrivi energia necesară pentru generare și tensiunea pentru sistemul de distribuție. Una din recomandări vine de la NORSOK:

11 kV – Nivel mediu de generare și distribuție a tensiunii. Este folosită atunci când puterea instalată generată depășește 20MW și când motoarele au puteri de la 400 kW și peste.

6.6 kV – Nivel mediu de generare și distribuție a tensiunii. Este folosită atunci când puterea instalată este între 4 și 20MW și când motoarele au puteri de până în 300 kW.

690 V – Nivel scăzut de de generare și distribuție a tensiunii. Este folosită atunci când puterea instalată generată este de până în 4 MW și un singur consumator de sub 400kW.

Pentru sistemul de distribuție al utilităților se folosesc tensiuni scăzute de 400/230V.

Ca și exemplu, tablourile moderne construite de Wartsila folosesc:

Joasă tensiune: tensiunea este de până la 690 V iar curentul de până la 290 kA

Medie tensiune: tensiunea este de 7.2, 12, 17.5 kV, iar curentul este de până la 106kA

Transformatoare

Pe navele cu propulsie elctrică, transformatoarele sunt folosite pentru a converti tensiunea de la intrare în tensiunea necesară pentru a alimenta unitățile de propulsie, consumatorii locali și pentru schimbarea de faze. Transformatoarele care schimbă fazele, uneori sunt folosite atunci când tehnologia unităților de viteză variabilă este folosită pentru a alimenta convertoarele de frecvență. Sunt construite pentru a diminua anumite armonici pentru a preveni distorsiuni mari la ieșire.

Transformatoarele au de asemenea o reacție de atenuare și se comportă ca niște filtre pentru zgomot de înaltă frecvență care sunt produse de convertoarele de frecvență. Ajută la evitarea interferențelor și emisiilor de natură electro-magnetice.

Dintre cele mai comune tipuri de transformatoare folosite în aplicațiile marine, sunt enumerate mai jos:

Uscate (izolate de aer, un astfel de transofrmator tipic este reprezentat în Fig.3.6)

Izolate cu rășină

Izolate cu ulei

În mod comun, transformatorul are 3 faze la intrare și 3 faze la ieșire. Conține 3 faze primare și bobine secundare care sut înfășurate pe miezul magnetic. Miezul magnetic este construit din straturi conductoare de oțel și constituie un circuit închis pentru calea de fluxului magnetic. Există 3 piciorușe de oțel unde sunt prinse înfășurările. Sunt două tipuri de înfășurări, una montată în interiorul celeilalte. Interiorul (secundar) este de joasă tensiune, exteriorul (primar) fiind de înaltă tensiune. Rația numărului de înfășurări este coeficientul transformatorului și este egal cu rația dintre primar și secundar. Conexiunea terminalelor din primar și secundar poate fi stea,zigzag sau delta. Este necesar ca ambele terminale să fie conectate în același mod, dar dacă conexiunile sunt diferite, atunci o schimbare de fază este obținută.

În procesul de proiectare al unui transformator pentru o aplicație marină, pierderi adiționale și în consecință o temperatură mai ridicată trebuie luate în considerare datorită unui număr mai mare de armonici.

2.3.3 Mașina electrică

Un motor electric transformă puterea electrică în putere mecanică. Statorul este alimentat cu electricitate pentru a produce un câmp magnetic. Un curent străbate deasemeni înfășurările rotorice astfel că câmpul magnetic învârtitor generează cuplu la axul motorului. Modurile de alimentare al statorului sau al rotorului face diferența dintre tipurile de motoare.

Motoarele electrice lucrează toate după același principiu: crearea unei forțe Lorentz FL pe rotor. Când un conductor care transportă curent este plasat într-un câmp magnetic, o forță va acționa pe acest conductor. Mărimea aceste forțe depinde de curentul I care parcurge conductorul și de densitatea fluxului magnetic Φ. Conductorii ce se află de ambele părți ale rotorului conduc curentul în direcție opusă. Forța FL deasemeni acționează în direcție opusă, creând cuplu de ieșire

(2.7)

KM este o constantă a motorului depinzând de mărime, număr de înfășurări( perechi de poli) și densitatea variațiilor fluxului în motor. Atunci când este nevoie de cuplu mare, spre exemplu pentru un motor cu aplicație într-un grup motor-ax elice, trebuie crescut ori curentul, ori numărul de perechi de poli, deoarece acesta influențează constanta KM. În altă ordine de idei, mașina are nevoie de o construcție mai mare și mai mult conductor. Acest lucru va crește costurile capitale. Densitatea fluxului Φ este dependentă de material și rămâne în mare parte la fel pentru diferitele tipuri de motoare.

Atunci când un conductor (rotorul în cazul nostru) se află în mișcare într-un câmp magnetic, o tensiune de inducție E este generată. Această forță, denumită și forță electromotoare EMF dă posibilitatea motorului electric de a funcționa și în regim de generator. Rotorul este apoi conectat la ieșirea pe ax către elice. Tensiunea de inducție este dată de următoarea relație:

(2.8)

Unde KE este o constantă pentru mașina electrică ce depinde de dimensiune, numărul de înfășurări și variația densității fluxului în bobină iar n este viteza de rotație a bobinei în câmpul magnetic (viteza rotorului).

Când mașina electrică crează un cuplu la ieșirea pe ax prin intermediul unui curent impus, aceasta este un motor electric. Atunci când o tensiune este indusă datorită rotațiilor rotorului, atunci aceasta devine generator.

Două principale tipuri de mașini electrice se regăsesc în mod comun la bordul navelor. Într-un motor de inducție, câmpul electromagnetic din înfășurările rotorului este produs de un curent alternativ (AC). Acesta crează un câmp magnetic învârtitor. Înfășurările rotorului sunt scurtcircuitate la capetele inelului. Curenții din înfășurările rotorului sunt apoi induse datorită vitezei relative a rotorului în câmpul magnetic învârtitor. Dacă viteza rotorului este egală cu viteza câmpului magnetic, nu va apărea nici o inducție. Astfel, axul se va înârti întotdeauna puțin mai încet față de viteza sincronă a rețelei. Din acest motiv motorul de inducție se mai numește și mașină asincronă.

Într-un motor sincron, statorul este alimentat de un curent alternativ, la fel ca în cazul motorului de inducție. Diferența constă în faptul că înfășurările din rotor nu sunt scurtcircuitate dar excitate de un curent continuu prin intermediul inelelor colectoare de pe arbore. Mașinile electrice moderne au un mic generator de excitație care este atașat de motor. Tensiunea acestui generator poate fi reglată, iar prin intermediul unei punți de diode orice curent continuu poate fi produs.

Când motorul de inducție funcționează la o viteză mai mică decât cea de sincronism, rotorului îi este furnizat cuplu. Atunci când acesta funcționează la o viteză mai mare decât cea de sincronism, alunecarea devine negativă și motorul se comportă ca un generator. În figura de mai jos este reprezentată modul de operare în patru cadrane a unei mașini de inducție și a mașinei sincrone. În această figură este reprezentată o curbă tipică de funcționare. Modul de funcționare ca motor este reprezentat în al doilea cadran; modul de funcționare ca și generator este reprezentat în al patrulea cadran.

Este de notat faptul că în direcția opusă (-n) nu există rotație, lucrul acesta nefiind descris în grafic. Alunecarea la viteza de sincronism ns este zero și maximă la n=0; la pornire. O curbă tipică de încărcare este deasemeni prezentată. Pentru simplicitate, este desenată ca o curbă de putere prin zero. Totuși, chiar și la pasul zero, elicea trebuie să învingă pierderile la pasul zero. Astfel, această curbă devine considerabil mai înaltă dacă viteza arborelui este ținută constantă. Aceasta nu pornește nici de la orizontală; este nevoie de un moment pentru a învinge frecarea pentru a începe să se rotească de la viteză zero. Acest cuplu de pornire face ca această curbă să pornească puțin mai sus de zero, să coboare puțin în jos și apoi să continue ca o curbă de putere.

Puterea motorului electric este produsul dintre curentul de linie și tensiunea de linie. Pentru un sistem trifazat, sunt trei linii, cel mai des conectate într-o configurație delta. Cu valorile tensiunii de linie U și a curentului de linie I, puterea activă totală a mașinei electrice este:

(2.9)

Cos reprezintă factorul de putere și este rezultatul defazajului dintre tensiune și curent. Cu cât unghiul dintre faze este mai mare, cu atât factorul de putere este mai mic.

Pentru mașinile sincrone, la cuplu 0, polii rotorului sunt opuși față de polii statorului. Dacă va crește cuplul, câmpul magnetic rotoric va începe să rămână în urmă față de câmpul magnetic al statorului. Curentul continuu al rotorului va trebui să fie furnizat de către o unitate de excitație care poate controla conducerea sau încetinirea factorului de putere. Motorul de inducție pe de altă parte are întotdeauna un factor de putere încetinit datorită tensiunii induse.

Motoarele de inducție se găsesc pentru putere de până la 25MW iar motoarele sincrone de până la 50MW. Motoarele sincrone au o ușoară eficiență crescută, dar sunt mult mai scumpe. Un echilibru între acești factori se regăsesc în motorul de inducție, fiind aleși pentru gamă de puteri de până la 7MW. Această limită a fost impusă de convertorul PWM, însă pe măsură ce tehnologia a avansat, acest lucru nu se mai aplică.

Viteza la ieșirea motorului este determinată de frecvența f a curentului alternativ și de numărul de poli p:

(2.10)

Pentru generatoare, acest lucru înseamnă că viteza de la intrare și numărul de poli determină frecvența. Cu ajutorul unui convertizor de frecvență, frecvența de la ieșirea acestuia poate fi variată astfel că toate vitezele de rotație pot fi obținute.

În figura de mai sus, Pin este puterea de alimentare a motorului, PEM,el, Pi este puterea interioară care este transmisă între stator și rotor. Pout este puterea mecanică furnizată de motorul electric PEM,mec. Pcu1 și Pcu2 sunt pierderile din cupru dinspre stator și rotor. PFe sunt pierderile din fier care sunt constituite din pierderile histerezis.

Pierderile din cupru cresc odată cu încărcarea, sau mai specific cu, curentul:

(2.11)

(2.12)

R este rezistența în înfășurări și este o constată dată de marimea materialului, iar m este numărul de înfășurări. Pierderile în cupru cresc odată cu creșterea curentului.

Pierderile în întrefier sunt și ele dependente de încărcare teoretic, dar din motive practice este des asumat faptul că sunt mai mult sau mai puțin constante pentru o tensiune și un material dat:

(2.13)

2.4 Unități de propulsie

Pentru moment trebuie să subliniem câteva tipuri de propulsie cu un nivel foarte mare de provocare:

Propulsia pe Shaft

Propulsia pe shaft este un sistem de propulsie convențională și este cunoscută încă de la sfârșitul erei navelor propulsate cu roată. Au devenit destul de răspândite legate și de motorul diesel, dar în ciuda unei durate lungi de folosire, această tehnologie este încă folosită în zilele noastre. Dezavantajele conexiunii directe a diesel-ului sunt lungimea shaft-ului, dificultăți în balansare și ca rezultat vibrații de nivel crescut precum și zgomot puternic. Implementând sistemul de propulsie electrică, este posibil să evităm aceste dezavantaje datorită unui shaft mult mai mic. Motivele unui astfel de aranjament al propulsiei sunt:

Puterea necesară pentru propulsare este mai mare decât cea disponibilă la unitățile de tip PODD sau azimutale;

Lipsă de motive pentru propulsarea de tip PODD (manevrarea sau menținerea poziției nu sunt necesare);

Prețul construirii este mult mai mic.

Pentru manevrabilitate în cazul în care se folosește cârma pe shaft; o cârmă pe fiecare elice.

Elicea potrivită acestui dip de aplicație este FPP (fixed pitch propeller) care este folosită pentru motoarele cu viteză variabilă. Mult mai rar la motoarele cu viteză variabilă se folosește CPP (controllable pitch propeller). Aceasta dă voie obținerii unei eficiențe mai mari într-o gamă mai mare de operații, dar nu justifică mereu investiția extra de echipamente.

Elicea fie în cazul aplicației cu motor diesel fie în cea cu motor electric poate fi conectată la shaft în două moduri: direct sau prin intermediul unei cutii de viteze. Conexiunea directă necesită viteză mică și cuplu mare din partea motorului, iar în cazul folosirii unei cutii de viteze, este nevoie de viteză mare și cuplu scăzut. Implementarea cutiei de viteze în propulsia electrică, permite preluarea de beneficii în ceea ce privește dimensiunile și ca rezultat, masa propulsorului. Dar un astfel de sistem este mai complex, necesită o mentenanță mai accentuată, are o eficiență și o siguranță mai scăzută.

Aplicațiile tipice pe care se pretează acest tip de propulsie sunt:

Nave petroliere

Nave mari de manevrat ancora

Nave de cercetare

Propulsorul azimutal

Pentru a îmbunătăți manevrabilitatea, sistemul de propulsare de tip azimutal a fost introdus. Acesta are sisteme de viteze de tip L și Z cu o elice la capătul shaft-ului. Tipul Z se aplică atunci când avem motorul montat orizontal (atunci când înălțimea camerei este limitată). Pentru tipul L, motorul este instalat vertical. Astfel de propulsoare sunt folosite împreună cu motoare de viteză variabilă și FPP sau cu motoare de viteză constantă și CPP.

Propulsorul azimutal are unele limitări. Puterea unui astfel de propulsor este de maxim 6-7 MW. Acest tip de propulsor conține 2 roți, unitate sigilată pentru a preveni scurgerile de apă și cel puțin 6 rulmenți de ax. O astfel de construcție este complexă, are nevoie de o mentenanță bună, iar roțile fac zgomot. În ciuda dezavantajelor, propulsoarele azimutale își găsesc aplicății în domenii de manevrabilitate.

Mai există și propulsoare tip POD sau combinate.

Capitolul III Structura fizică a propulsiei electrice

3.1 Convertorul static de putere

Convertoarele statice de putere sunt echipamente statice complexe intercalate între sursa de energie si receptor, având rolul de a modifica parametrii energiei furnizate de sursă (valoare, formă, frecvență a tensiunii) ținând cont de cerințele impuse de receptor.

Convertoarele pot fi de asemenea montate între două surse de energie pentru a face posibilă funcționarea simultană a acestora. Convertorul static are rol de receptor din punct de vedere al sursei de energie și rol de sursă de energie din punct de vedere al sarcinii.

Partea de putere a convertorului este realizată cu dispozitive semiconductoare de putere comandabile ( tiristoare, tranzistoare) și/sau necomandabile (diode). Aceste dispozitive, funcționând în regim de comutație, au rolul unor întreruptoare, deci rezultă un regim permanent format dintr-o succesiune periodică de regimuri tranzitorii.

Închiderea și deschiderea succesivă a acestor întreruptoare se face după o logică impusă de principiul de funcționare a convertorului. Această logică este asigurată de schema electronică de comandă. Toate convertoarele conțin deci o parte de putere ( forță) și o parte de comandă.

Convertoarele asigură conversia unor cantități importante de energie. Aceasta impune ca, principalul lor criteriu de dimensionare sa fie randamentul. Acest fapt determină diferențe între electronica de putere si electronica de semnal, unde scopul principal este obținerea unui semnal de ieșire fidel.

Clasificarea convertoarelor statice de putere se poate face, în principal, după două criterii:

după tipul mărimii electrice la intrarea și la ieșirea convertorului:

Redresoare – sunt convertoare alternativ-continuu.

Variatoarele de tensiune alternativă – sunt convertoare alternativ-alternativ;

Cicloconvertoarele – sunt convertoare alternativ-alternativ;

Chopperele – sunt convertoare continuu-continuu;

Invertoarele autonome – sunt convertoare continuu-alternativ.

după tipul de comutație:

Convertoare cu comutație naturală;

Convertoare cu comutație comandată.

Prin comutație se înțelege trecerea succesivă a curentului de la o cale de curent la altă cale de curent a părții de putere.

Prin definiție, o cale de curent conține un singur întreruptor ( un singur dispozitiv conductor de putere). Pentru comutarea între starea închis si deschis, un întreruptor trebuie să aibă aplicată la bornele sale o tensiune convenabilă. Această tensiune este numită „tensiune de comutație”. Dacă aceasta tensiune este disponibilă în cadrul părții de putere se spune că avem un convertor cu comutație „naturală”; daca nu, ea trebuie creată și aplicată la momente determinate de timp. În acest caz avem o comutație „comandată”. Redresoarele, variatoarele de tensiune alternativă și cicloconvertoarele sunt convertoare cu comutație „naturală”, deoarece tensiunea de comutație se găsește în partea de forță creată de rețeaua alternativă. Blocajul tiristoarelor sau a diodelor în convertoarele cu comutație naturală se face la trecerea naturală prin zero a curentului care le străbate. Chopperele și invertoarele autonome sunt convertoare cu comutație „comandată”.

Aplicațiile convertoarelor statice de putere aparțin preponderent mediului industrial deoarece ele permit receptoarelor să primească energie sub forma cea mai convenabilă, deci să funcționeze cu randament optim. În stadiul actual, energia produsă este vehiculată de convertoarele statice.

Cercetările asupra dezvoltării convertoarelor se fac practic în două direcții: creșterea puterii pe unitate de volum și micșorarea gabaritelor și a costurilor.

Progresele tehnicii bazate pe convertoare statice de putere sunt legate de progresele industriei dispozitivelor semiconductoare de putere, care a reușit în ultimii ani să producă dispozitive având caracteristici nominale și fiabilitate din ce în ce mai ridicate.

Aceste dispozitive sunt dedicate pentru acționarea motoarelor de curent alternativ, asincrone și care prezintă următoarele avantaje:

Turație variabilă și programabilă;

Accelerare, decelerare controlată;

Schimbarea sensului de rotație;

Protejează motorul comandat;

Posibilitatea monitorizării și acționării de la distanță (remote);

Posibilitatea alimentării unui motor trifazat din rețeaua monofazată;

Interconectarea facilă cu alte sisteme;

Factor de putere mare, eliminând necesitatea altor echipamente externe de creștere a puterii;

Scad curentul de pornire, protejând instalația electrică și celelalte echipamente conectate;

Reduce dramatic consumul de energie electrică, implicit costurile;

Cel mai mic curent de pornire dintre toate tipurile de startere;

Reduc supra-încărcarea si supra-încălzirea motoarelor și a curelelor de acționare;

Crește durata de exploatare a echipamentelor;

Variatoarele de frecvență sunt compuse din trei părți principale: un redresor, un filtru capacitiv sau capacitiv-inductiv și un invertor. Comanda tranzistoarelor invertorului este dată de un microcontroler și are la bază metoda modulării în lățime a impulsurilor. Tranzistoarele sunt de obicei de tip IGBT și ele comută la frecvențe de ordinul 10-20 kilohertzi. Mărimea acestei frecvențe produce un curent mai „sinusoidal” prin motor, însa proporțional cresc și pierderile de comutație. Alt dezavantaj este reducerea lungimii maxime permise a cablului electric dintre convertizor și motor.

După cum se poate vedea în graficul de mai sus, tensiunea de ieșire este sub formă de impulsuri dreptunghiulare cu durată variabilă astfel încât curentul să fie aproximativ sinusoidal, sarcina fiind inductivă. Se recomandă folosirea bobinei de filtrare pentru reducerea armonicilor. Mai nou au apărut convertizoare de frecvență cu absorbție de curent sinusoidal, tocmai pentru a reduce la minim regimul deformant provocat de aceste dispozitive.

Punerea în funcționare constă în realizarea următoarelor etape:

Alegerea convertizorului;

Montarea fizică a acestuia și realizarea legăturilor electrice;

Programarea si parametrizarea convertizorului conform fișei de aplicație.

Alegerea convertizorului se face în general în funcție de puterea motorului care umrează a fi acționat,

Pconvertizor ≥ Pmotor ( 3.1 )

numărul fazelor tensiunii de alimentare, tensiunea de alimentare, condițiile de mediu ( gradul de protecție se notează cu IPxx – ingress protection), regimul de funcționare, modul de comandă, etc. Majoritatea producătorilor au introdus facilitatea ca utilizatorul să poata programa o serie din aceste condiții în funcție de necesități. Aceasta conferă convertizorului de frecvență funcția de utilizare generală, acoperind majoritatea tipurilor de acționare a unui motor.

3.2 Mașina asincronă

Mașina asincronă este cea mai răspândită mașină electrică, fiind întâlnită pe scară largă în acționările electrice din toate sectoarele industriale și sociale, îndeosebi în regimul de motor trifazat, pentru actionarea mașinilor unelte, a pompelor, a compresoarelor, a morilor cu bile, a macaralelor electrice, a podurilor rulante, a aparaturii medicale, a aparaturii electrocasnice, a propulsiilor electrice, etc.

Motoarele asincrone se construiesc pentru o gamă foarte largă de puteri ( de la ordinul unităților de W până la ordinul zecilor de MW), pentru tensiuni joase ( sub 500V) și tensiuni medii ( 3 kV, 6 kV, sau 10 kV) și având turația sincronă la frecvența f=50Hz egală în mod uzual cu n=500, 600, 750, 1000 sau 3000 rot/mid , în funcție de numărul de perechi de poli.

Principalele avantaje ale motoarelor asincrone față de alte tipuri de motoare electrice sunt:

Simplitate constructivă;

Preț de cost redus;

Siguranță mare în exploatare;

Performanțe tehnice ridicate (cuplu mare de pornire, randament ridicat);

Stabilitate în funcționare, exploatare, manevrare și întretinere simplă;

Alimentare direct de la rețeaua trifazată de AC;

Dintre principalele dezavantaje putem enumera:

Șoc mare de curent la pornire;

Factor de putere relativ scăzut;

Caracteristică mecanică dură;

Regimul de generator al mașinii asincrone este mai rar folosit datorită puterii reactive (de magnetizare) relativ mare pe care mașina trebuie să o ia de la rețea. În acționările electrice, în cazuri speciale, mașina asincronă poate funcționa pentru scurtă durată și în regimul de frână electrică.

Mașinile asincrone se execută în două forme constructive:

Mașina asincronă cu rotorul bobinat (cu inele);

Mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit (în colivie).

Motorul asincron trifazat (sau motorul de inducție trifazat) poate funcționa stabil în trei regimuri:

Regimul de motor ;

Regimul de generator;

Regimul de frână electrică.

În practică, însă, mașina asincronă este utilizată aproape în totalitatea cazurilor în regimul de motor, regim care va construi obiectul studiului nostru în continuare. De multe ori, regimul de funcționare al mașinii de lucru antrenate de motorul asincron impune acestuia funcționarea în regim de generator sau de frână electromagnetică.

Principiul de funcționare al motorului asincron se bazează pe transformarea energiei electrice primită de la rețeaua de curent alternativ, conectată la stator, în energie mecanică furnizată la axul rotorului. Sistemul de curenti trifazați simetrici absorbiți de stator de la rețea, produce un câmp magnetic învârtitor care pentru armonica fundamentală are forma:

( 3.2 )

Acest câmp produce în raport cu înfășurarea rotorică (care în momentul pornirii este fixă) un flux magnetic de forma:

( 3.3 )

pentru una din fazele înfășurării.

La răndul său, acest flux induce în faza respectivă a înfășurării rotorice o tensiune electro-motoare de aceeși pulsație. Cum înfășurarea rotorică este inchisă (în scurtcircuit sau pe un consumator echilibrat) tensiunea electro-motoare va da naștere unui curent prin faza rotorică respectivă. Sistemul trifazat simetric de curenți din înfășurarea rotorică trifazată interacționează cu sistemul trifazat de fluxuri Ψ2 dând naștere unui cuplu rezultant de forțe care va pune în mișcare rotorul. Rotorul capătă astfel viteză și în final se stabileste la valoarea Ω2< Ω1 (Ω1 fiind viteza ungiulară de sincronism a câmpului învârtitor inductor).

Acum fluxul magnetic creat de câmpul inductor va avea față de înfășurarea rotorică în mișcare expresia:

( 3.4 )

unde s-a notat:

-alunecarea dintre câmpul inductor și rotor ( 3.5 )

Când , fluxul devine invariabil în timp și, prin urmare, nu se mai induc tensiuni electro-motoare în rotor, cuplul electromagnetic al motorului devenind nul, deci rotorul are tendința de a se apropia de viteza de sincronism dar pe care nu o poate atinge.

Astfel câmpul magnetic învârtitor inductor și rotorul nu poate fi niciodată în sincronism. De aici și denumirea de mașină asincronă.

Considerând că rotorul se învârte în reim staționar cu viteză unghiulară corespunzătoare alunecării s, atunci frecvența fluxului , a tensiunuii electro-motoare induse în rotor și a curenților rotorici va fi:

( 3.6 )

Alunecarea s a motorului asincron se mai poate scrie și în procente:

( 3.7 )

unde sunt turațiile câmpului învârtitor, respectiv ale rotorului în rotații pe minut.

Motoarele asincrone de construcție normală au în mod uzual alunecări nominale cuprinse între (1÷5)%. Acest lucru arată ca la frecvența statorică industrială f1 =50Hz, frecvența curenților rotorici va fi conform relației ( 2.6 ):

( 3.8 )

deci, o frecvență foarte joasă, ceea ce ne permite să considerăm pierderile în fier din rotor practic nule. De asemenea valoarea efectiva a tensiunii electro-motoare indusă în rotor depinde de alunecare. Astfel la pornire (s=1) ea este sub forma:

( 3.9 )

iar în regim stationar corespunzătoralunecării s:

( 3.10 )

Regimurile dinamice sunt legate de variația energiei la axul motorului, motorul fiind supus unei viteze variabile in timp, deci unei acceleratii. Dintre regimurile dinamice importante amintim:

Pornirea;

Reglarea turației;

Frânarea;

Schimbarea sensului de rotație.

Variația energiei în timpul regimurilor dinamice antreneaza viariația unor mărimi electrice și neelectrice ale motorului asincron, variații ce trebuiesc cunoscute datorită implicațiilor ce le pot avea asupra funcționării motorului.

Capitolul IV Procesul de propulsare al navei

4.1 Selecția mașinii de propulsie marina

Selecția mașinii de propulsie precum și a rețelei de alimentare vor depinde de elemente de design precum spațiu, masa și nivel de zgomot, împreună cu celelalte cerințe incluzând aria de operare, costuri de mentenanță și de întreținere. Toți acești factori vor depinde de tipul navei, funcțiile ei și modul de lucru.

Soliditate și masa. Înălțimea poate fi și ea importantă pentru nave cum ar fi feriboturile și navele de transport unde sunt necesare punți lungi și libere.

Cost initial.

Consum de combustibil: Influențează costurile de întreținere și dimensiunea tank-urilor.

Calitatea combustibilului (calitate scăzută/vâscozitate mare, mai ieftin).

Nivelul de emisii NOx, SOx și CO2.

Nivelul de zgomot și de vibrații: au devenit din ce în ce mai importante.

Costurile de mentenanță, costurile obiectelor de rezervă;

Viteza de rotație: Viteza de rotație mai mica a elicei plus diametru mai mare a acesteia conduc la o eficiență crescută.

Convertizor electric

Generatoare la distanță, platformă flexibilă.

Generatoarele oferă propulsia și preia incărcarea.

Generatoare în principiu sunt diesel sau posibil pe turbină de gaz.

Nave de pasageri, nave de război, nave ce necesită viteză mică de control/manevre, poziționare dinamică.

4.2 Diesel (sau turbo) Electric

Motorul electric (propulsor) folosește electricitatea generată cu ajutorul generatoarelor diesel sau turbinelor de gaz.

Beneficiile propulsiei electrice include următoarele:

Flexibilitate în aranjamentul general, spre exemplu stația de generare poate fi separate de motorul de propulsie.

Diverse tipuri de încărcare între serviciile navei și propulsie.

Funcționare economică datorită tipului de încărcare.

Control ușor al motoarelor.

Caracteristici mici de poluare sonoră și vibrații, spre exemplu, un generator poate fi montat foarte ușor pe o punte flexibilă.

Motoarele de tip POD devin din ce în ce mai populare.

În ceea ce privește drive-urile electrice, în general este acceptat să fie o creștere a masei propulsiei în general și o scădere în eficiența transmisiei dintre motor și elice, care este diesel electric către elice în loc de diesel direct către elice.

Astfel că, atributele mai sus menționate au condus către o creștere a folosirii convertizoarelor electrice pe multe nave de croazieră, nave de război și multe alte nave precum navele de survolaj, manevre și transportoare de cablu.

4.3 Calculul de estimare al puterii mecanice efective

În continuare vom realiza un calcul pentru estimarea puterii efective necesară navei. Pentru aceasta, avem nevoie de dimensiunile generale ale navei. Aceste dimensiuni rezultă din aranjamentul general realizat de către inginerul naval. Calculul se bazează pe dimensiunile reale ale unui remorcher standard 2810.

Dimensiuni și caracteristici:

LOA = 28.67 [m] – Lungimea totală a navei (Lengthh of ship overall); (4.1)

LWL = 28 [m] – Lungimea liniei de plutire (Length on waterline); (4.2)

B = 10.4 [m] – Lățimea navei (Breadth of monohull); (4.3)

T = 4.8 [m] – Înălțimea navei de la baza navei la linia de plutire (Draught); (4.4)

CB = 0.41 – Coeficientul blocului (Block coefficient); (4.5)

LCB = 4%L -Centru longitudinal de flotabilitate (Longitudinal centre of buoyancy); (4.6)

Viteza de deplasare este între 2-15 noduri.

= 60 [m3] – Volumul de apă dislocat de navă (Ship displacement volume);(4.7)

= 62 [tone] – Masa de apă dislocată (Ship displacement mass); (4.8)

L/1/3 = 8 – Rația lungime-dislocare (Length displacement rațio); (4.9)

L/B = 28/10.4=2.69 – Lungimea/Lățimea navei; (4.10)

B/T = 10.4/4.8=2.16 -Lătimea/draftul navei; (4.11)

(4.12)

Unde este numărul lui Froude (Froude number);

Unde V reprezintă viteza măsurată în [m/s]

-Volumul numărului lui Froude (Volume Froude number) (4.13)

La o viteză de 15 noduri, avem:

Re=VL/v= 15 × 0.5144 × 28/1.19 × 106= 257.1 × 106 (4.14)

Unde Re reprezintă numărul lui Reynold (Reynolds number).

CF=0.075/(log Re – 2)2 =0.075/(log257.1 × 106 – 2)2=0.00863 (4.15)

Unde CF reprezintă coeficientul rezistenței facționare.

CT=CF+CR=0.00863 + 0.01131=0.01994 (4.16)

Unde CT reprezintă coeficientul rezistenței totale.

S=CS=2.895 × =118.65 [m2] (4.17)

Unde S reprezintă suprafața de contact a navei cu apa.

RT=CT × ρ SV2 =0.01994 × 0.5 × 118.65 × (15 × 0.5144)2/1000=70.42 [kN] (4.18)

Unde RT reprezintă rezistența totală a carenei

PE=RT × VS=70.42 × 15 × 0.8= 845 [kW] (4.19)

PE reprezintă puterea estimată totală.

VS reprezintă viteza navei măsurată în [m/s]

Sistemul de propulsare trebuie să învingă rezistența totală a navei. În general, această rezistență este compusă din rezistența de frecare , rezsistența reziduală (precum rezistența valurilor și a curenților turbionari), iar intr-o măsură mai mica rezistența aerului. În funcție de forma navei și de viteză, influența rezistenței de frecare este de obicei cea mai mare la navele care operează la viteze scăzute. Pentru nave mai mari, spre exemplu nave cu numere Froude mari, rezistența valurilor devine pe departe mult mai influențabilă.

Pentru nave de viteză mica, rezistența totală este proporțională cu pătratul vitezei de deplasare a navei. Deoarece puterea este produsul dintre viteză și rezistență, puterea necesară pentru această navă este:

(4.20)

Unde PE este puterea efectivă de tractare a navei, putere ncesară pentru a împinge nava prin apă la o viteză fixată. Pentru viteze mai mari, cuba ar putea crește cu până la . Această putere nu este, bineânțeles, egală cu puterea instalată. Există multe pierderi care care se transpun în eficiență. Eficiența de propulsare este definită ca fiind puterea efectivă este definită ca raport dintre puterea transmisă la axul elicei PD:

(4.21)

Această putere reprezintă puterea pe care sistemul de propulsie trebuie să o furnizeze. Plecând de la acest concept care se ghidează după , inginerul naval trebuie să determine puterea instalată necesară pentru frânare .

(4.22)

Unde este eficiența transmisiei. Aceasta conține ambele eficiențe de arbore și a cutiei de viteze . Pierderile de la nivelul arborelui sunt cauzate de frecarea rulmenților și a tuburilor de cuplare. Pierderile de la nivelul cutiei de viteze sunt cauzate de frecările dintre dinții roților de transmisie.

(4.23)

(4.24)

PB este puterea de frânare combinată care parcurge cutia de viteze.

În figura de mai jos este reprezentată curva calitativă a raportului putere-viteză, unde se pot vizualiza diferența dintre modurile de operare ale sistemului de propulsie. În modul de operare (1), motorul diesel funcționează și învârte atât elicea cât și mașina electrică. Dacă nava are nevoie de un surplus de putere pentru a ajunge la viteze și mai mari față de cât ar putea produce motorul în sine, motorul electric intră în regimul de motor, producând surplusul de putere necesar (2). La viteze mai reduse, puterea necesară pentru propulsare este semnificativ redusă, astfel că nava va fi operată prin intermediul motorului electric.

4.4 Calcul de alegere a motorului electric

4.4.1 Modurile de operare

Posibilitatea de a opera mașina electrică în modurile generator sau motor, oferă aplicației noastre câteva moduri de operare posibile.

Modul Diesel

În acest mod, motorul diesel rotește elicea prin intermediul unei cutii de viteze. Mașina electrică va funcționa astfel în regim de generator, furnizând putere electrică de încărcare tabloului principal de distribuție. În această operație, motorul termic este principalul învârtitor.Acesta funcționează eficient pentru o încărcare mare. În cazul în care motorul termic funcționează pe bază de combustibili fosili, costurile pentru producerea puterii electrice vor fi reduse. Deoarece motorul termic ar trebui să lucreze, acest mod este des utilizat atunci când nava este în tranzit la o viteză de croazieră.

Modul de suplimentare a puterii

În modul de suplimentare a puterii, mașina electrică devine motor electric pentru aplicație și livrează o putere suplimentară prin intermediul cutiei de viteze către elice. Elicea va fi acționată în paralel de motorul electric și de motorul termic, astfel că o putere suplimentară va fi transferată către elice. Această putere este dată de generatorul diesel sub formă de putere electrică. Acest lucru are avantajul că puterea electrică poate fi ușor transportată pe navă prin intermediul conductorilor. Unele nave necesită putere mare pentru timpi scurți de operare. În loc să fie instalat un motor mare termic, motorul electric poate oferi acest necesar extra de putere.

Modul electric

Atunci când motorul diesel nu funcționează, acesta poate fi deconectat de la cutie de viteze. Puterea de propulsare poate fi totuși furnizată de motorul electric care se folosește de puterea electrică furnizată de generatoarele diesel. Acest lucru poate avea două aplicații. Una este pentru nave care operează la viteze mici. La încărcare redusă, motorul diesel devine ineficient. Motorul electric va rula cu puterea electrică flexibilă furnizată de generatoarele diesel. Cea de-a doua aplicație este o alternativă a capacității de propulsare. Atunci când motorul diesel se oprește din varii motive, nava va fi încă capabilă să funcționeze la viteze mai reduse folosind motorul electric. Societățile de clasificare au impus reguli cu privire la viteza minimă, distanța sau puterea disponibilă.

Organizația internațională maritimă IMO a introdus noi reguli SOLAS începând cu 2009 cu privire la siguranța pasagerilor de la bordul navelor. Pentru diferite scenarii, au fost stabilite cerințe pentru evacuarea pasagerilor. Una din aceste cerințe o reprezintă propulsia redundantă. Acest lucru asigură că nava va ajunge în port la o viteză limitată după ce a avut loc un incendiu. La momentul actual, nu există o regulă clară cu privire la viteza, distanța și puterea necesară. Aceste reguli se impun navelor de pasageri construite după 1 Iulie 2010, cu o lungime de peste 120 m sau cu trei sau mai multe zone de foc.

Motorul electric poate fi deasemeni conectat direct la arborele elicei. Asta presupune ca motorul să funcționeze la viteze reduse precum elicea. Pentru a menține aceeași putere la ieșire, cuplul produs de motor trebuie să fie mult mai mare. Deoarece cuplul unui motor electric este dat de curent, acești curenți vor crește. Pentru a face față acestor curenți crescuți, motorul va avea nevoie de un număr mare de poli și de o construcție mărită în comparație cu motoarele de viteză mărită/cuplu scăzut. Costurile unui astfel de motor vor crește deoarece aceste costuri depind în mare măsura de volumul de cupru folosit în înfășurări.

4.4.2 Calcule în funcție de modurile de operare

În continuare se vor realiza calculele de alegere a motorului electric, supradimensionând puterea mecanica rezultată mai sus cu 10% pentru a acoperi pierderile de putere din distribuție până la elice:

(4.24)

Alegerea puterii motorului de acționare a unui mecanism naval se face considerând cunoscută variația în timp a cuplului de sarcină Ms=f(t), a mecanismului respectiv.

Alegerea corectă a puterii motoarelor electrice are mare importanță, atât din punct de vedere al funcționării și utilizării acestora, cât și din cel al pierderilor de energie în rețeaua de alimentare. Subdimensionarea motoarelor electrice determină supraîncălzirea și deteriorarea rapidă a izolațiilor. În același timp, cuplul de pornire și capacitatea de supraînărcare devin mai mici și conduc la reducerea productivității mașinilor de lucru, mai ales a acelora care necesită porniri frecvente.

Supradimensionarea motoarelor crește inutil cheltuielile de investiție, reduce randamentul și factorul de putere.

În cele mai multe cazuri, puterea motorului electric se alege ținându-se seama de încălzirea lui și apoi se verifică la suprasarcină. Sunt însă cazuri, mai ales în acționările electrice navale în care motorul electric se alege pe baza puterii de vârf și se verifică astfel ca încălzirea să nu depășească limita impusă în regim permanent.

Următoarea etapă în dimensionarea motorului electric o reprezintă stabilirea condițiilor de funcționare. În cazul de față, aplicația are ca destinație mediul marin, unde temperatura din camera motoarelor este de 40ºC.

Celelalte condiții de funcționare se regăsesc mai jos după cum urmează:

nmin =750 [rpm] –reprezintă viteza minimă la care se cere debitarea de putere specificată Pmin

nmax=2250 [rpm] –reprezintă viteza maximă

nn = 1800 [rpm] –reprezintă viteza nominală

fn = 60 [Hz] –reprezintă frecvența nominală a rețelei

Un = 440 [V] –reprezintă tensiunea nominală a rețelei

Pgen = 500 [kW] – reprezintă puterea debitată de generator

Pmin = 208 [kW] – reprezintă puterea minimă debitată de generator

Cos = 0.86 – reprezintă factorul de putere

= 0.98 – reprezintă randamentul unui convertizor de frecvență

= 0.97 – reprezintă randamentul unui motor asincron trifazat ABB

Dimensionarea mașinii pentru utilizarea ca generator de arbore

Cu ajutorul frecvenței nominale, a vitezei nominale, minime și maxime, se determină frecvențele minimă și maximă pentru comanda motorului:

(4.25)

(4.26)

Obserație. Tensiunea Un a generatorului trebuie sa fie mai mare cu aproximativ 10% față de tensiunea rețelei (440V). Deci motorul va fi la 480V.

Pentru frecvența minimă, se calculează tensiunea minimă la care trebuie să se obțină puterea specificată:

(4.27)

Se calculează puterea nominală a motorului asincron trifazat:

(4.28)

(4.29)

Se calculează viteza maximă pentru rulmenții motorului:

(4.30)

Se dimensionează curentul necesar pentru funcționarea mașinii în regim de generator pentru cazul cel mai defavorabil:

(4.31)

Dimensionarea mașinii pentru utilizarea ca motor

Pornind de la datele generale prezentate mai sus, se va calcula Puterea aparentă:

(4.32)

Se dimensionează curentul necesar pentru funcționarea mașinii în regim de motor:

(4.33)

Prin compararea celor doi curenți, . Vom realiza selectarea mașinii electrice pornind de la curentul calculat cel mai mare al celor două moduri.

Deoarece mașina asincronă trifazată este folosită în aplicația de propulsie electrică, aceasta trebuie dimensionată în conformitate cu regulile de clasificare din domeniul naval. Prin urmare, se va alege o mașină asincronă trifazată din clasa marină. Pentru acest lucru s-a folosit aplicația specială ABB Motors MotSize [ DOL] de alegere a motorului în funcție de parametrii rezultați în urma calculelor.

Parametrizarea proiectului:

Motor range : Marine Motors

Unit : Metric

Testing standard : IEC 60034-2-1:2007 MIXED

View : Type designation IEC

Customer information : Datele clientului

Această aplicație vine în ajutorul inginerului. În urma parametrilor introduși în foaia de parametrizare, programul rulează și caută motoare cu specificații cât mai apropiate de cele introduse în detaliile de specificație.

Parametrizare detalii constructive și funcționale:

Tensiunea nominală 480V/60 [Hz]

Încărcare 929.5 [kW]

Motor ambient 45 [ºC]

Motor altitude 1000 [m]

Număr poli 4

Tipul de încărcare pompă sau ventilator

Turația nominală 1800 [rpm]

Curent

S-a rulat programul și s-a dimensionat motorul propriu-zis al sistemului de propulsie electrică. Motorul cel mai apropiat de datele noastre are puterea nominală Pn de 1000kW, lucru ce nu deranjează în procesul de proiectare. Datele obținute se pot observa și în Fig. 4.9.

4.5 Calcul de alegere a convertizoarelor

Pentru dimensionarea convertizorului necesar, este utilizată valoarea curentului supradimensionat determinat mai sus și tensiunea motorului . În funcție de tipul de răcire utilizat pentru convertizor, acesta se dimensionează după cum urmează.

La alegerea convertizorului răcit cu aer, trebuie să se țină cont că temperatura maximă a mediului ambiant este de 45ºC. Pentru ca alegerea să fie corectă, trebuie să se calculeze valoarea maximă a curentului susținut de convertizor pentru o funcționare continuă la temperatura mediului ambiant.

(4.34)

Unde reprezintă curentul rezultat în urma luării în calcul a condițiilor de mediu

reprezintă temperatura ambientală

reprezintă temperatura maximă la care convertizorul lucrează la parametri nominali

reprezintă curentul maxim debitat de convertizor

Pentru convertizorul răcit cu apă, alegerea acestuia se face astfel încât Idrive > Ig.

În procesul de alegere a convertizoarelor s-au folosit documente ale producătorului VACON US. Din schema bloc din Fig. 4.10 s-a determinat folosirea unei unități AFE prin urmărirea pașilor marcați cu verde.

Datorită modului de funcționare al mașinii asincrone trifazate atât în regim de motor cât și în regim de generator prin recuperare de energie, curentul rezultat este destul de mare astfel că vom alege varianta de convertizor răcit cu lichid, iar soluția aleasă va fi compusă din două convertizoare AFE(Active Front End) +INU(Inverter), denumită și Common DC BUS.

Un sistem de convertizoare DC BUS este alcătuit din unul sau mai multe unități AFE care fac conversia tensiunii AC în tensiune și curent de tip continuu, furnizând putere magistralei comune de tensiune continuă DC BUS. Magistrala comună transferă puterea la convertizoarele de tip invertor, și în funcție de tipul convertizorului AFE, în unele cazuri transferă energia înapoi la rețea. Configurația de magistrală comună de DC poate face economii semnificative de energie atunci când energia de frânare este folosită.

Convertizorul INU

Unitate INU este un ivertor de putere DC de încărcare bidirecțional pentru rețea sau controlul motoarelor de curent alternativ. Unităților INU le este necesară folosirea circuitelor de preîncărcare a condesatoarelor. Acest chit de preîncărcare este folosit pentru conectarea și deconectarea modulelor invertorului de la barele de curent continuu. Circuitul de preâncărcare are nevoie de rezistențe și fuzibili.

Convertizorul de tip INU este folosit pentru transmiterea energiei recuperate de la motorul diesel înapoi în rețea, calculul de dimensionare fiind făcut după curentul . Aplicația folosită pentru acest convertizor este de tip „Generator”.

Din catalog s-a ales următorul tip de convertizor: NXP 2060 5A0T0IWF de 2060 amperi. Astfel se acoperă necesarul de curent impus de regimul de generator al mașinii electrice.

Convertizorul AFE

Convertizorul de tip AFE este folosit pentru transmiterea puterii electrice către mașina electrică. Dimensionarea acestuia se realizează în funcție de curentul .Aplicația folosită pentru acest convertizor este de tip „µGrid”. Acesta este un convertizor de putere bidirecțional pentru frontul bus-ului comun. Este folosit pentru transmiterea putereii de la intrarea AC către circuitul de curent continuu DC.

Din catalog s-a ales următorul tip de convertizor: NXP 1640 5A0T0IWF de 1640 amperi. Astfel se acoperă și necesarul de curent impus de regimul de motor al mașinii electrice.

Acest convertizor este alcătuit din modulul AFE și un set de componente externe care trebuiesc luate în considerare atunci când se realizează configurația. Componentele externe principale sunt filtrele LCL și circuitul de pre-încărcare. Acestea se regăsesc în lista de produse Vacon.

Filtrul LCL

Un convertizor AFE are întotdeauna nevoie de filtru LCL dedicat la intrare.

Folosirea convertizoarelor este foarte importantă în maximizarea transferului de putere de la sursele de energie către grid. Un filtrul LCL este adesea folosit pentru interconectarea unui invertor la rețea pentru a filtra armonicile produse de invertor. Filtrul LCL reduce riplul frecvenței de comutare și ajută la cuplarea unui curent.

Filtrul LCL se dimensionează în funcție de curentul , astfel se va alege din catalog un filtru RLC-1640-6-0 de 1640 mperi.

4.5.1 Proiectarea sistemului de răcire

În loc de răcirea convertizoarelor cu aer, convertizoarele NX Liquid-Cooled sunt răcite cu lichid. Circulația de lichid a convertizoarelor este de obicei legată la un schimbător de căldură (lichid-lichid/lichid-aer) care răcește lichidul ce circulă prin elementele de răcire a convertizoarelor. Deoarece elementele de răcire sunt confecționate din aluminiu, agenții de răcire folosiți trebuie să fie de tipul apei uzuale/apă demineralizată sau un mix între apă și glicol. Într-un circuit închis, următoarele figuri sunt recomandate ca valori de referință. Pentru evitarea coroziunii electro-chimice, se recomandă folosirea unui inhibitor.

Schimbătorul de căldură furnizat de către cei de la Vacon este construit din oțel inoxidabil. În sistemele cu apă potabilă sunt utilizate bunele performanțe de coroziune ale oțelului inoxidabil, dezavantaje ale metalelor divergente nefiind incluse.

Temperatura de proiectare a agentului de răcire ce intră în modulele convertizoarelor este de 35ºC. În timpul circulației în interiorul elementelor de răcire, lichidul transferă căldura produsă de puterea disipată sub formă de căldură a semiconductorilor. În mod normal, 95% din pierderile de putere sunt disipate în lichid. Se recomandă echiparea sistemului de distribuție a agentului de răcire cu un senzor de temperatură.

Echipamentele de transfer al căldurii pot fi plasate în afara camerei unde se află echipamentele electrice. Conexiunile dintre cele două elemente se va face în teren. Pentru a evita căderile de presiune, țevile trebuie să fie construite cât mai drept posibil.

Folosind tabelul de mai jos, s-au dimensionat debitele de lichid din sistemul de răcire pentru convertizoare, ținând cont de faptul că ambele sunt construite pe șasiul CH64, având 3 elemente (practic 3 convertizoare lipite). Astfel pentru două șasiuri CH64, folosind o concentrație a lichidului Water/Glycol 80:20, debitul nominal care permite funcționarea convertizoarelor la curentul nominal este de 2·3·27=162 [l/min].

Pentru dimensionarea debitului total al filtrului LCL, s-au luat în considerarea următoarele debite nominale extrase din desenele CAD furnizate de Vacon:

Lnet=8 [l/min] (4.35)

3·Ldrive=3·8=24 [l/min] (4.36)

DebitLCL=32 [l/min] (4.37)

Debittotal= Debitconvertizoare + DebitLCL=162+32=194 [l/min] (4.38)

Echipamentele electrice selectate pentru aplicația noastră, pe lângă energia disipată în lichidul de răcire, disipă și energie sub formă de căldură în mediul ambiant. Astfel s-au extras din foile de catalog, pierderile de căldură în aer:

Convertizoarele AFE au o pierdere de 3·1.2kW=3.6 [kW] (4.39)

Convertizoarele INU au o pierdere de 3·1.5kW=4.5 [kW] (4.40)

Bobinele LNET au o pierdere de 3·600W=1.8 [kW] (4.41)

Bobina LDRIVE are o pierdere de 1 [kW] (4.42)

Totalul pierderilor de putere sub formă de căldură în aer este de 10.9 [kW] (4.43)

Răcitoarele de aer au ca unitate de măsură BTU/hr, astfel se realizează conversia din kW în BTU/hr, ținând cont că 1 [kW] = 3412.142 [BTU/hr].

10.9 [kW] = 37192,3478 [BTU/hr] (4.44)

Se vor folosi răcitoare de la SEIFERT de tipul RK 2116 A-400V, cu o putere de răcire de 7170 [BTU/hr]

Numărul de răcitoare se află împărțind puterea totală la puterea de răcire a răcitorului ales:

(4.45)

Din foaia de catalog reiese că acest tip de răcitor poate disipa o putere maximă de 3 [kW] cu un debit de 500 [l/h], la o temperatură de 40ºC. Debitul necesar pentru ca acest răcitor să funcționeze la capicate maximă va fi de:

(4.46)

Pentru cele șase răcitoare va fi nevoie de un debit total de 6·8.3=49.8 [l/min]49.8·

S-a folosit debitul total în procesul de dimensionare al sistemului de răcire cu lichid Debittotal=194 [l/min], fapt pentru care s-a ales un echipament care să poată acoperi debitul total. Din tabelul de mai jos s-a ales un echipament de tipul Vacon HXL/M-M/V/R-120-N-P

Cu ajutorul datelor generate în urma dimensionării sistemului de răcire, s-au realizat schemele bloc ale sistemului. În practică, aceste scheme sunt generate pentru a facilita discuțiile dintre client și producător cu privire la imaginea de ansamblu a sistemului. Tot din aceste scheme, reiese în clar debitul necesar pentru circuitul de răcire al aerului.

Circuitul de apă pentru răcirea elemenților răcitoarelor de aer va fi alimentat din circuitul închis al navei.

4.6 Dimensionarea CAD a sistemului de propulsie

Această etapă este parcursă pentru a realiza dimensionarea tablourilor electrice în care vor fi introduse componentele întreg sistemului de propulsie electrică. Aceste tablouri au de obicei un spațiu special rezervat pe navă, lucru ce face ca dimensionarea lor să fie realizată în limitele acestui spațiu. Aceste desene pot fi date mai apoi spre producție pentru a fi realizate fizic.

Tabloul de răcire este furnizat ca un element întreg de către firma producătoare a acestuia Vacon, acesta fiind montat separat pe navă.

Un remorcher, fiind o navă destul de mică, dar care necesită o putere mare de propulsare, are spațiul de așezare al echipamentelor electrice foarte redus, fapt pentru care echipamentele au fost așezate într-o așa măsură încât să ocupe un spațiu cât mai mic. Acest lucru s-a realizat respectând normele de proiectare și de siguranță a acestor tablouri.

Proiectarea tablourilor s-a realizat în mediul de proiectare Autocad, cu o scală de 1:1.

Capitolul V Realizarea practică a sistemului de propulsie

5.1 Arhitectura conceptuală a sistemului

Sistemul a fost conceput de la bun-început cu un motor asincron trifazat TeSys T de putere P=90 [W] în rol de motor propulsor. Controlul acestuia s-a realizat cu ajutorul unui convertizor monofazat/trifazat. Convertizorul la rândul lui a fost ales pentru a putea primi comenzi de la cele trei stații de lucru (Local, Timonerie și Remote Tabletă).

Părțile componente ale acestui sistem sunt:

PLC Allen-Bradley CompactLogix 1769-L23E-QBFC1B

Display touchscreen Proface AGP-3500T Rev*4

Tableta Apple Ipad 2

Switch ethernet Allen-Bradley 1783-US05T

Router wireless Cisco Linksys EA6700

Convertizor Vacon 20-1L-0001-2+EMC2+QPES

Motor asincron trifazat TeSys T 90 [W]

5.2 Controlul motorului cu ajutorul convertizorului

Convertizorul folosit a fost parametrizat conform cu datele motorului:

Ue=220 3~ [V] – Tensiunea de alimentare

F=50 [Hz] – Frecvența maximă de lucru

Ie=0.68 [A] – Curentul absorbit

RPM=1350 [rpm] – Turația nominală

N=2 – Numărul de perechi de poli

Parametrii convertizorului au fost setați în conformitate cu aplicația proiectului de diplomă „Sistem de propulsie electrică pentru o navă de tip remorcher – Sistemul de alarmă monitorizare și control” respectând cu atenție manualul complet oferit de către furnizor.

Această operațiune de configurare a parametrilor s-a realizat prin intermediul tastaturii locale de pe fața convertizorului după cum urmează:

Aplicația aleasă pentru acest convertizor a fost pentru un motor cu funcționare ca ventilator sau pompă centrifugală, practic având aceeași curbă ca și modul de funcționare a motorului pentru aplicația de propulsie electrică.

P1.1 – 220 [V] -Tensiunea nominală a motorului

P1.2 – 50 [Hz] – Frecvența nominală a motorului

P1.3 – 1350 [rpm] – Turația nominală a motorului

P1.4 – 0.68 [A] – Curentul nominal al motorului

P1.5 – 0.85 – Cos

P1.6 – 0 – Tipul motorului: de inducție

P1.7 – 2.55 [A] – Limitarea de curent a motorului

P1.8 – 0 – Modul de control al motorului: în frecvență

P1.9 – 0 – Raportul U/f: Liniar

P1.10 – 50 [Hz] – Punct de slăbire câmp

P1.11 – 100 [%] – Punct de slăbire câmp tensiune

P1.12 – 50 [Hz] – Raportul U/f – Punct mediu frecvență

P1.13 – 100 [%] – Raportul U/f – Punct mediu tensiune

P1.14 – 0 [%] – Tensiunea la frecvență 0

P1.15 – 0 – Suplimentare de cuplu

P1.16 – 4 [kHZ] – Frecvența PWM

P1.17 – 0 – Chopper de franare – Nefolosit

P1.21 – 1 – Controler de supratensiune

P1.22 – 1 – Controler de tensiune scăzută

P2.1 – 1 – Control remote – Fieldbus RS485

P2.2 – 0 – Funcția de start – Rampă

P2.3 – 0 – Funcția de stop – Directă

P2.7 – 1 – Posibilitatea de Stop de pe tastatura convertizorului

P3.2 – 50 [Hz] – Frecvența maximă permisă ca referință

P4.1 – 1 [s] – Forma rampei în S

P4.2 – 4 [s] – Timpul pentru ca frecvența de ieșire să crescă de la 0 la maxim

P4.3 – 4 [s] – Timpul pentru ca frecvența de ieșire să scadă de la maxim la 0

P13.2 – 2 – Alarmă la tensiune scăzută

P13.3 – 2 – Punere la masă – Se va opri funcționarea motorului

P13.4 – 2 – Fazarea la ieșire greșită – Se va opri funcționarea motorului

P13.7 – 2 – Protecția termică a motorului – Se va opri funcționarea motorului

P13.8 – 40 [ºC] – Temperatura ambientală

P13.10 – 4.5 [min] – Constanta termică a motorului

P13.11 – 1.7[A] – Curentul de stand

P13.12 – 15[s] – Timpul de stand

P13.13 – 25 [Hz] – Frecvența de stand

P14.1 – 0 – Auto reset al alarmelor dezactivat

P2.2 – 1 – Folosirea protocolului Fieldbus

P2.3 – 1 – Adresa lui ca sclav

P2.4 – 5 – Baud rate 9600

P2.6 – 0 – Paritate 0

P2.7 – 10 – Time out comunicație

Trebuie precizat faptul că ceilalți parametri care se v-or regăsi și în anexe, au fost lăsați la valoare 0 sau valoarea lor prestabilită deoarece acești parametri nu ne-au fost folositori în aplicația noastră.

Capitolul VI Concluzii

Scopul lucrării a fost atins, acesta fiind proiectarea sistemului de propulsie electrică pentru un scenariu real la o scală 1:1. Acest sistem este util și implementabil în mediul naval, nu doar pentru nave de tip remorcher ci și pentru alte tipuri de nave.

Calculele de dimensionare a ansamblului propulsiei electrice s-a axat pe doi producători principali de echipamente electrice, precum VACON USA și ABB Group, datorită calupului mare de informații puse la dispoziția utilizatorilor.

Se observă că s-a implementat tot ceea ce s-a impus în proiectare. Rezolvarea aplicației este una corectă, dar nu neaparat unică.

Soluția rezultată poate fi construită și pe platformele altor producători, respectând însă dimensiunile acestora din punct de vedere electric. Dimensiunile fizice pot fi neglijate în limita spațiului impus de client.

Anexă

Anexa 1 – Curbe și caracteristici motor ABB

Anexa 2 – Curbe și caracteristici motor ABB