Судовой электрик - Вопросы электроснабжения судов

Г л а в a I
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СУДОВ

§ 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СУДАХ

Современное речное судно — сложное инженерное сооружение, насыщенное разнообразными электрифицированными механизмами и установками с различной степенью автоматизации их управления. Электрическую энергию используют для средств навигации, судовождения и связи, в качестве двигательной энергии в многочисленных приводах судовых механизмов, в приводах судовых гребных установок, для освещения, отопления и других нужд.
Электрифицированные судовые механизмы и установки обеспечивают основные навигационные свойства, ход и маневренность судна, безопасность плавания, удобство и простоту управления, облегчают труд команды, позволяют создать необходимые бытовые условия для команды и пассажиров.
Автоматизация процессов управления и судовождения способствует повышению производительности труда, безопасности плавания, улучшению технико-экономических показателей судна.
Все самоходные суда имеют собственные электрические станции, обеспечивающие потребность судна в электроэнергии.
Состав потребителей электроэнергии судовой электростанции зависит от назначения, класса, разряда и габаритов (грузоподъемности, мощности) судна.
В табл. 1 приведены ориентировочные данные удельного веса отдельных групп потребителей электроэнергии на судах в процентах к общей их установленной мощности.
Наибольший удельный вес (до 90%) по установленной мощности составляют судовые электроприводы, в том числе электроприводы ответственного назначения, работа которых непосредственно связана с безопасностью плавания, с движением и управлением судна, с обеспечением сохранности грузов. К ним относятся электроприводы рулевых и подруливающих устройств, шпилей и брашпилей, пожарных и осушительных насосов, насосов охлаждения и смазки главных двигателей, возбудительных и преобразовательных агрегатов, компрессоров пускового и свисткового воздуха, агрегатов рефрижераторной установки для трюмов и другие.
Мощность электронагревательных приборов и холодильных установок в общем балансе мощности сравнительно невелика, но имеет некоторую тенденцию к росту в связи с широким использованием электроотопительных приборов и увеличением мощности холодильных установок.

Таблица 1

Удельный вес остальных потребителей (установок электрического освещения, приборов управления, контроля, сигнализации и связи) в последние годы также несколько увеличился, но в общем балансе мощности составляет всего несколько процентов.

§ 2. ПАРАМЕТРЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Основными параметрами судовых электростанций являются: род тока, напряжение и частота. Параметры судовых электрических установок выбирают с учетом обеспечения наибольшей надежности и экономичности их работы, требуемых режимов работы судовых механизмов, систем и устройств, безопасных условий эксплуатации.
От параметров электрических установок зависят габариты и вес электрооборудования: электрических машин, пусковой, регулировочной и коммутационной аппаратуры, распределительных устройств и электрических сетей, расход дефицитных материалов.
На судах речного флота допускается применение как постоянного, так и переменного однофазного и трехфазного тока.
Основными потребителями электрической энергии на судах являются электрические двигатели приводов судовых механизмов.
Двигатели постоянного тока способны развивать весьма значительные пусковые моменты, обладают большой перегрузочной способностью, позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения, осуществлять быстрое реверсирование и экономичное торможение. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением обеспечивают большое постоянство напряжения и устойчивую работу при параллельном их включении.
В то же время наличие у машин постоянного тока коллектора и щеточного механизма снижает их надежность и усложняет эксплуатацию.
Асинхронные электродвигатели трехфазного переменного тока с короткозамкнутым ротором конструктивно значительно проще двигателей постоянного тока, имеют меньшие габариты и вес, более высокий к.п.д. и надежнее в эксплуатации. При переменном токе с помощью трансформаторов легко преобразовать ток одного напряжения в ток другого напряжения, разделить силовые и осветительные сети, что повышает надежность электрических установок. В то же время у асинхронных двигателей сравнительно небольшой пусковой момент, приходится учитывать значение коэффициента мощности (cos φ), сложнее регулировать скорость вращения. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения, поэтому двигатели чувствительны к изменениям величины напряжения.
Большие пусковые токи короткозамкнутых двигателей, в 4—7 раз превышающие номинальный ток, вызывают значительные провалы напряжения на шинах судовых электростанций, что неблагоприятно сказывается па работе остальных потребителей, особенно если мощность двигателей соизмерима с мощностью синхронных генераторов. Последние менее устойчивы при параллельной работе, труднее вводятся в синхронизм и требуют более сложной системы автоматического регулирования напряжения.
Несмотря па отмеченные недостатки машин переменного тока, общие технико-экономические и эксплуатационные достоинства переменного тока обусловили широкое его использование на судах речного флота. Следует учитывать, что большинство (70—80%) судовых механизмов не требует плавного и широкого регулирования скорости вращения. В определенных пределах оно может быть необходимо для таких палубных механизмов, как брашпиль, шпиль, рулевые машины, лебедки и краны. В данном случае получить нужные скорости можно, применяя многоскоростные асинхронные двигатели или индивидуальный привод на постоянном токе по системе генератор—двигатель (Г—Д).
Использование в системах управления электроприводов полупроводниковой техники, в частности тиристоров (управляемых кремниевых вентилей), позволяет изменять частоту тока, а также напряжение, подводимое к обмотке статора асинхронных двигателей. На этой основе разработаны схемы, позволяющие в достаточно широком диапазоне обеспечить плавное регулирование скорости вращения двигателей. Достоинством тиристорных схем являются их относительно небольшие габариты, масса и стоимость.
В последние годы значительно улучшены электромеханические данные асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Промышленность выпускает асинхронные двигатели с повышенными скольжением и пусковым моментом, многоскоростные, специализированного исполнения (тропическое, влаго- и морозостойкое, малошумное и др.).

Выбор рода тока в определенной степени обусловливается составом и мощностью потребителей электроэнергии и технологическими требованиями, предъявляемыми к ним.
Окончательное решение принимается с учетом достоинств и недостатков постоянного и переменного тока на основании сравнительного технико-экономического расчета.
Номинальные значения напряжений на зажимах источников электроэнергии, согласно Правилам Речного Регистра, не должны превышать при постоянном токе 230 В, при переменном трехфазном 400 В и однофазном 230 В, за исключением электрических гребных установок.
На зажимах потребителей номинальные значения напряжений не должны превышать величин, приведенных в табл. 2.

Таблица 2

На наливных судах I группы и толкачах величина напряжения в сетях освещения, сигнализации и связи не должна превышать 127 В. Однако в тех случаях, когда на этих судах имеются устройства для непрерывного автоматического контроля сопротивления изоляции электрических сетей, с подачей сигнала при понижении сопротивления изоляции в помещение с постоянной вахтой (в рулевую рубку или машинное отделение) для указанных сетей допускается напряжение до 220 В.
Иногда доки, землесосы, плавучие мастерские и другие суда технического флота получают электроэнергию от береговых подстанций при напряжении до 6300 В и их отдельные приводы могут работать на напряжении до 6000 В.
На речных скоростных судах (на подводных крыльях и воздушной подушке), а также на некоторых пассажирских, грузовых и буксирных судах с двигателями мощностью 150 и 300 л. с., где  состав потребителей электроэнергии ограничен, основным является напряжение 24 В.
Допустимые напряжения для гребных электрических установок (ГЭУ) приведены в табл. 3.

Номинальной на речных судах принято считать частоту переменного тока 50 Гц. Для ГЭУ переменного тока частоту не нормируют, ее также рекомендуется принимать 50 Гц. Частота 50 Гц не всегда удовлетворяет технологическим требованиям, так как при ней наибольшая синхронная скорость вращения электрических машин ограничивается 314 рад/с (частота вращения 3000 об/мин).
На речных судах расширяется область использования электротехнических установок, работающих на переменном токе с частотой до 400 Гц (радиолокаторов, гироскопов и др.).
Повышение частоты тока позволяет значительно снизить вес и габариты электрических установок, что с учетом роста мощностей судовых электроэнергетических установок является весьма существенным.
Применять повышенную частоту тока особенно целесообразно в электрических установках судов на подводных крыльях, воздушной подушке, глиссирующих и других, где габариты и вес оборудования имеют первенствующее значение.