В любой ГЭУ объединены в единое целое два самостоятельных комплекса — генерирования электроэнергии и электропривода гребного винта. Очевидно, что дальнейшее совершенствование ГЭУ теснейшим образом связано с развитием двух областей современной энергетики: производства электроэнергии и работы электропривода. При этом под развитием понимается как совершенствование традиционных устройств, машин, аппаратов способов их использования, так и создание принципиально новых устройств или новых способов использования существующих машин.
В любой ГЭУ объединены в единое целое два самостоятельных комплекса — генерирования электроэнергии и электропривода гребного винта. Очевидно, что дальнейшее совершенствование ГЭУ теснейшим образом связано с развитием двух областей современной энергетики: производства электроэнергии и работы электропривода. При этом под развитием понимается как совершенствование традиционных устройств, машин, аппаратов, способов их использования, так и создание принципиально новых устройств или новых способов использования существующих машин.
Следует отметить, что очень серьезную конкуренцию гребным электрическим установкам составляют установки с ВРШ. Вместе с тем можно с уверенностью сказать, что установки с ВРШ принципиально не могут обеспечить всех преимуществ, которые дают ГЭУ, особенно для судов специального назначения. Кроме того, вызывает сомнение возможность использования ВРШ при работе во льдах, где и обычный винт нередко теряет лопасти или обламывается целиком. И, наконец, установки с ВРШ не могут составить конкуренцию ГЭУ с источниками прямого преобразования тепловой и химической энергии топлива, поскольку здесь ГЭУ становится органически необходимым элементом.
Решая вопрос о выборе типа электропривода гребного винта, необходимо учитывать три его особенности:
мощность электродвигателя приблизительно равна мощности источников питания;
момент сопротивления гребного винта зависит как от частоты его вращения, так и от скорости движения судна;
мощность электропривода обычно достигает нескольких тысяч и даже десятков тысяч киловатт.
Среди современных электроприводов для использования в ГЭУ представляют интерес: тиристорные электроприводы стабилизированного тока (ТЭСТ); электроприводы со статическими преобразователями частоты тока; электроприводы переменного тока системы асинхронный вентильно-машинный каскад (АВМК); приводы с электромагнитными муфтами скольжения (ЭМС).
В области генерирования электроэнергии развитие ГЭУ должно предусматривать более широкое применение газотурбинных установок, ядерной энергии и установок прямого преобразования тепловой и химической энергии топлива.
Есть еще два направления, которые могут представлять интерес. Они в равной степени касаются как производства, так и потребления электроэнергии: это применение электрических машин сверхпроводниковых и униполярных.
Тиристорные электроприводы стабилизированного тока рассматривались (см. § 61) применительно к автоматической швартовной лебедке. Напомним: особенность ТЭСТ состоит в том, что тиристорный преобразователь обеспечивает на стороне постоянного тока поддержание постоянного значения выпрямленного тока независимо от нагрузки. В этом случае все управление электродвигателями, в том числе, и создание необходимых механических характеристик, выполняется по цепи возбуждения двигателя. Сравнительно просто здесь осуществляется автоматическое регулирование гребной электрической установки в режиме Р = const.
Особый интерес ТЭСТ представляет для судов, на которых, кроме ГЭД, есть другие относительно мощные регулируемые электроприводы, например электроприводы траловых, буксирных или океанических лебедок. Двигатели этих электроприводов могут быть включены в контур стабилизированного тока (см. рис. 150).
Электроприводы со статическими преобразователями частоты были рассмотрены в § 51. Высокие технико-экономические характеристики этих электроприводов, безусловно, представляют значительный интерес для ГЭУ с источниками как переменного тока, так и постоянного (например, с электрохимическими генераторами).
Разработка и создание статических преобразователей частоты большой мощности связаны с немалыми трудностями вследствие большого числа силовых полупроводниковых приборов, сложности схем управления, значительных размеров, массы и стоимости преобразователей. В связи с этим определенный интерес может представлять ГЭУ переменного тока большой мощности, в которой преобразователи частоты тока используются для регулирования частоты вращения ГЭД только в области низких скоростей. В области же верхних скоростей регулирование ведется изменением частоты вращения генераторных агрегатов, т. е. как в обычной ГЭУ переменного тока (см. § 77). Напомним, что мощность, развиваемая ГЭД, пропорциональна кубу частоты вращения винта. Поэтому мощность статического преобразователя частоты тока, используемого только на нижних скоростях (при маневрировании судна), будет существенно меньше установленной мощности ГЭД.
Электроприводы системы АВМК не рассматривались ранее. В § 50 было показано, что при регулировании частоты вращения асинхронных двигателей изменением скольжения в роторной цепи двигателя возникает энергия, пропорциональная скольжению, которая в обычных электроприводах превращается в тепло. Особенность электроприводов системы АВМК состоит в том, что энергия скольжения выводится с ротора асинхронного двигателя и после преобразования используется полезно. · Поскольку в преобразовании и использовании этой энергии участвует вспомогательные электрические машины и вентильные преобразователи, электропривод и получил название асинхронного вентильно-машинного каскада.
В общепромышленных установках, где электроприводы получают питание от энергосистемы, есть два пути использования энергии скольжения: возврат ее в сеть энергосистемы или на вал того же электропривода. В первом случае электропривод получил название электрического, во втором — электромеханического АВМК.
В автономной энергетической установке, какой является ГЭУ, возможности АВМК расширяются. Так, кроме указанных двух путей, здесь энергию скольжения можно передавать непосредственно на вал генераторных агрегатов или на зарядку аккумуляторных батарей (в так называемых гибридных установках, где источниками Являются генераторные агрегаты и аккумуляторные батареи).
По нашему мнению, большой интерес для электродвижения судов различного назначения представляет ГЭУ, принципиальная схема которой приведена на рис. 185.
Гребной асинхронный двигатель АД с фазным ротором получает питание от двух (или нескольких) параллельно работающих синхронных генераторов Г1 и Г2. К обмотке ротора двигателя АД через полупроводниковый выпрямитель ПВ подключены якоря вспомогательного двигателя ВД постоянного тока, расположенного на гребном валу, и вспомогательных машин постоянного тока ВМГ1 и ВМГ2, расположенных на валах генераторных агрегатов.
Рис. 185. Принципиальная схема ГЭУ с электроприводом системы АВМК и ее механические характеристики
При отсутствии возбуждения у всех машин постоянного тока обмотка ротора двигателя АД может быть закорочена до выпрямителя, и тогда АД будет работать на своей естественной механической характеристике (рис. 185, б, кривая 3). Такой режим выгоден при полном длительном ходе судна на чистой воде (кривая 1, точка а). Если обмотка ротора двигателя замкнута через ПВ на невозбужденные якоря вспомогательных машин, то АД будет работать по характеристике более мягкой, чем естественная. Такой режим оправдан во время маневрирования, когда полный ход судна является кратковременным. Выпрямленный ток Id при этом определяется формулой
(169)
где R — сопротивление цепи постоянного тока, Ом; Ud — выпрямленное напряжение, В.
Пренебрегая сопротивлениями обмоток двигателя АД, что при его большой мощности вполне оправданно, можно записать:
(170) где Е2к — э.д.с. (напряжение) на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе (78), (81); s — скольжение (80).
Регулировать частоту вращения двигателя АД можно, увеличивая возбуждение любой из машин постоянного тока. Если увеличивать возбуждение машин ВМГ1 и ВМГ2, то энергия скольжения будет передаваться на валы генераторных агрегатов. Практически это означает, что машины ВМГ1 и ВМГ2 будут создавать дополнительный вращающий момент, уменьшится нагрузка на первичные двигатели ПРД1 и ПРД2, у которых сократится расход топлива. Если увеличивать возбуждение двигателя ВД, то энергия скольжения будет передаваться на гребной вал. Иначе говоря, двигатель ВД создает дополнительный вращающий момент, действующий согласно с моментом двигателя АД:
Краткая запись сделана на основании известных соотношений для машин постоянного тока (69), (71) и для асинхронных машин (78) — (80), (81), а также соотношений, для АВМК (170) и (171).
При проектировании ГЭУ системы АВМК, естественно, встает вопрос о мощности вспомогательных машин. Понятно, что их мощность зависит от диапазона (глубины) регулирования частоты вращения гребного винта. Однако здесь следует принимать во внимание специфику зависимости Mc=f(nГЭД), возможность переключения вспомогательных машин с последовательного соединения на параллельное и, наконец, расширение диапазона регулирования за счет снижения напряжения, генераторов.
Расчеты показывают, что при винтовом характере нагрузки на АД максимальная мощность скольжения составляет около 15% номинальной. Однако габаритная мощность вспомогательных машин в электроприводе АВМК обычно больше расчетной. Дело в том, что при вращении на верхних скоростях вспомогательные машины работают при большом токе Id (большой момент сопротивления винта), и при низком напряжении Ud (малое скольжение), а при нижних скоростях резко уменьшается ток, но увеличивается напряжение. Вспомогательные же машины приходится выбирать и по наибольшему току и по наибольшему напряжению. В связи с этим при работе АД на верхних скоростях вспомогательные машины включают параллельно, а на нижних — последовательно. Чем больше генераторных агрегатов на один ГЭД установлено в ГЭУ, тем в большей степени суммарная габаритная мощность вспомогательных машин приближается к расчетной, если использовать их переключение с параллельного соединения на последовательное.
Для получения нижних скоростей гребного винта можно снижать напряжение генераторов. При этом расширяется диапазон регулирования частоты вращения ГЭД без увеличения мощности вспомогательных машин. Создаются две зоны регулирования (см. рис. 185, б): зона I — вследствие увеличения тока возбуждения вспомогательных машин, II — вследствие уменьшения напряжения генераторов.
Особо следует остановиться на роли вспомогательного двигателя ВД. Через него энергия скольжения двигателя АД передается на вращение гребного винта. При невозбужденных машинах ВМГ1 и ВМГ2 каскад работает как электропривод постоянной мощности, что очень важно для ГЭУ при переходе судна с работы по характеристике «на чистой воде» (кривая 1) на работу по швартовной характеристике (кривая 2, точка б). Дополнительный вращающий момент, обеспечивающий, работу ГЭУ по характеристике Р=const, создается как раз двигателем ВД. Важную роль этот двигатель играет также при пуске и реверсировании гребного винта, повышая динамические свойства электропривода. Следует отметить, что в электроприводе АВМК торможение противовключением является экономичным и может осуществляться при пониженном напряжении генераторов.
ГЭУ с электромагнитными муфтами скольжения применяют на судах со среднеоборотными дизелями, когда два или более дизелей работают на один винт через понижающий редуктор. Принцип действия обычных ЭМС, их назначение и использование кратко рассматривались в первом разделе книги. Здесь пойдет речь о применении в гребной установке электромагнитной муфты-редуктора (ЭМР), которая, обладая всеми достоинствами обычной электромагнитной муфты скольжения, позволяет осуществить электромагнитную редукцию частоты вращения, беря на себя, таким образом, и функции механического редуктора.
Принцип действия ЭМР можно пояснить ее схемой (рис. 186). На ведущем валу 3 расположен индуктор 2 с электромагнитными полюсами 1 явнополюсной конструкции (возможна и неявнополюсная конструкция). На ведомом валу 9 укреплен якорь, состоящий из двух частей (пакетов) 5 и 10. В обеих частях расположены стержневые обмотки, которые с наружных сторон якоря замкнуты кольцами 8, подобно обмоткам типа беличьей клетки. В середине якоря обе обмотки соединены между собой при помощи колец и стержней таким образом, что образуют общую короткозамкнутую обмотку инверсного типа. Это значит, что поля, создаваемые токами обеих обмоток, вращаются в разные стороны. Иначе говоря, обмотки имеют различный порядок чередования фаз. Обмотки якоря могут быть выполнены как на одинаковое число пар полюсов, так и на различное, практически при любом соотношении.
Рис. 186, Электромагнитная муфта-редуктор
Вторая половина якоря 10 расположена внутри статора 7, с которым она разделена радиальным зазором. В пазах железа статора уложена обычная трехфазная обмотка с числом пар полюсов р2, равным числу пар полюсов второй якорной обмотки. Число пар полюсов первой якорной обмотки р1 равно числу пар полюсов индуктора. Ток возбуждения к индуктору подводится, как обычно, через щетки и кольца 4.
Индуктор и первая половина якоря образуют обычную электромагнитную муфту скольжения, а вторая половина якоря и статор — обращенный асинхронный двигатель, получающий питание от обмотки первой половины якоря и создающий вращающий момент того же направления, что и момент муфты.
Частота вращения ведомого вала определяется формулой
Для регулирования частоты вращения здесь можно в цепь статора вводить резисторы или использовать энергию скольжения для других целей, например отбирать мощность для вспомогательной электростанции судна. Важно, что все эти операции осуществляются при помощи обмотки статора, а значит, без скользящих контактов.
В том случае, если обмотку статора подключить к источнику постоянного тока, то магнитное поле первой обмотки якоря при частоте вращения якоря n02 войдет в синхронизм с полем индуктора и якорь будет вращаться с абсолютно постоянной частотой n02, не зависящей от момента сопротивления на ведомом валу. При этом мощность с ведущего вала без потерь (исключая трение в подшипниках) будет передаваться на ведомый вал. Потери на возбуждение не входят в передаваемую мощность.
Для регулирования частоты вращения ведомой части вверх от n02 необходимо вывести вторую половину якоря из-под статора. Технически это сделать сложно. Эффект «удаления» статора можно получить, если на ярмо железа статора наложить кольцевую обмотку 6 (см. рис. 186) и питать ее постоянным током, подмагничивая железо до насыщения.
Для проектирования электромагнитной муфты-редуктора важно знать, как распределяется передаваемая мощность между частями якоря. Если обозначить через ΡΜ1 мощность, передаваемую на ведомый вал первой обмоткой якоря, а через Рм2 — передаваемую второй обмоткой, то будет справедливо соотношение
Электромагнитная муфта-редуктор позволяет решить ряд проблем при создании судна со средне- и высокооборотными главными двигателями, обеспечивая судну необходимые маневренные качества.
Применение в ГЭУ газотурбинных установок, как показывает зарубежный опыт, позволяет настолько уменьшить массу и размеры энергетической установки, что вследствие повышения грузовместимости судно становится рентабельнее теплохода со среднеоборотными дизелями, даже несмотря на повышенный расход топлива.
Развитие ГЭУ с использованием ядерной энергии сдерживалось главным образом вопросами безопасности, надежности, экономичности и размерными показателями.
Проблемы безопасности и надежности можно считать уже решенными. Решение других проблем идет успешно, и гребные электрические установки при мощности более 50 тыс. кВт и сейчас по экономичности способны конкурировать с другими установками.
ГЭУ с установками прямого преобразования энергии должны получить наиболее широкое развитие. Особенно перспективными для электроходов могут быть магнитогидродинамические генераторы и топливные элементы.
