§ 1.9. ПАРАМЕТРЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Род тока
В начале развития судовой электроэнергетики на судах применялся постоянный ток. Однако опыт эксплуатации отечественных и зарубежных электроэнергетических систем показал преимущества применения для них переменного тока. Особенно существенными преимущества стали при тех больших мощностях электроэнергетических систем, которые достигнуты в последние годы. К числу основных преимуществ судовых электроэнергетических установок переменного тока следует отнести значительно большую надежность электрических машин переменного тока, синхронных генераторов и асинхронных электродвигателей (особенно короткозамкнутых). Надежность электрических машин позволяет применять в судовых установках переменного тока большие напряжения по сравнению с установками постоянного тока, в которых величина напряжения практически ограничена 220 в. Повышение напряжения судовых сетей приводит к снижению веса кабелей и проводов, составляющих значительную долю веса электрооборудования современных больших судов. Машины переменного тока, кроме того, требуют значительно меньшего ухода, легче по весу, имеют меньшие габариты по сравнению с машинами постоянного тока. Стоимость их также ниже стоимости машин постоянного тока.
Недостаток асинхронных электродвигателей — худшие регулировочные свойства по сравнению с машинами постоянного тока. Однако большинство судовых электроприводов работают при постоянной скорости вращения. В тех случаях, когда требуется регулирование скорости вращения, могут быть применены двух-, трехскоростные короткозамкнутые асинхронные электродвигатели либо, наконец, двигатели постоянного тока с питанием от сети переменного тока через управляемые вентили.
Как известно, релейно-контакторная аппаратура управления электроприводами на переменном токе по ряду своих показателей уступает релейно-контакторной аппаратуре управления постоянного тока. Реле и контакторы постоянного тока имеют больший срок службы и более устойчивые характеристики. Однако эти недостатки аппаратов переменного тока относительно мало сказываются на оценке электрооборудования переменного тока. Причиной этому служит то обстоятельство, что подавляющее большинство судовых электроприводов переменного тока имеет простейшую пусковую аппаратуру, предназначенную для прямого пуска в ход нерегулируемого короткозамкнутого электродвигателя, — магнитный пускатель и кнопочный пост управления. Поэтому количество аппаратов переменного тока оказывается значительно меньшим, чем в установках постоянного тока. В весовом отношении аппаратура контакторного управления переменного тока имеет преимущества по сравнению с аппаратурой постоянного тока. Остальное оборудование — пакетные выключатели, рубильники, предохранители и др., при применении их в цепях переменного тока, также имеют несколько меньший вес на единицу пропускаемой мощности, чем в цепях постоянного тока.
Конструкции автоматических воздушных выключателей, применяемых на судах для защиты судовых электроэнергетических установок переменного и постоянного тока и их элементов, не различаются существенно между собой. Более легкие условия гашения электрической дуги позволяют применять автоматические воздушные выключатели в цепях переменного тока при больших напряжениях, чем при постоянном токе.
С точки зрения надежности кабельные сети постоянного и переменного тока приблизительно равноценны. В весовом отношении, при одинаковом напряжении для случая одиночной прокладки кабелей и проводов (при коэффициенте мощности в установке переменного тока cosφ= 0,8), при применении кабелей малых сечений преимущества оказываются на стороне переменного тока, а при средних и больших сечениях — на стороне постоянного тока. При увеличении напряжения переменного тока преимущества оказываются на стороне переменного тока на всем диапазоне сечения кабелей.
Величины напряжения
В настоящее время в судовых электроэнергетических установках постоянного тока по Правилам Регистра СССР применяются напряжения 220, 24 и 12 в и соответственно на зажимах источников тока 230, 28 и 14 в.
В установках переменного тока применяются напряжения 380, 220, 42, 24 и 12 в и соответственно на зажимах источников тока 400, 230, 48, 28 и 14 в. Правилами Регистра Союза ССР рекомендуется применять напряжения той или иной величины в зависимости от типа установок.
Для электрических судовых устройств, не имеющих непосредственной связи с судовой сетью, возможно применение и других нестандартных напряжений.
При выборе величины напряжения для судовых электроэнергетических установок приходится учитывать два прямо противоположных фактора: вес электрического оборудования и его габариты, с одной стороны, и надежность действия и безопасность обслуживания — с другой. С точки зрения уменьшения габаритов и весов кабелей, проводов, аппаратов защиты, коммутационных аппаратов, контакторов, распределительных устройств целесообразно в судовых установках применять более высокие напряжения для силовых и осветительных сетей. С точки зрения повышения надежности действия и безопасности обслуживания электрического оборудования судов целесообразно применять более низкие напряжения. Влияние величины напряжения на веса и габариты электрического оборудования сказывается различно в зависимости от характера оборудования.
Веса и габариты электрических машин для переменного тока от величины напряжения практически не зависят (в пределах величин напряжения, применяемых на судах).
Веса и габариты электрических аппаратов.
Уменьшение величины номинального тока при повышении напряжения приводит к уменьшению сечения токоведущих элементов аппаратов. Это обстоятельство оказывает весьма существенное влияние на веса таких аппаратов, как контакторы, предохранители, рубильники, автоматические выключатели. Их веса и габариты на единицу пропускаемой мощности изменяются приблизительно обратно пропорционально напряжению сети. Естественно, что в аппаратах, у которых при повышении номинального напряжения приходится для облегчения гашения дуги снижать величину номинального тока, так же как и в аппаратах, у которых дугогасительное устройство различно при различных напряжениях и расстояние между токоведущими элементами выбрано с учетом величины номинальных напряжений, имеют меньшее влияние величины напряжения.
Соотношения весов кабелей, приходящихся на один киловатт передаваемой мощности для одного и того же сечения кабеля, обратно пропорциональны напряжению (при выборе сечения кабеля по допускаемой плотности тока), так как кабели, независимо от величины напряжения, рассчитываются на один и тот же ток нагрузки в пределах применяемых на судах напряжений.
Все сказанное свидетельствует о целесообразности повышения напряжения судовой сети с точки зрения весовых показателей. Учитывая, однако, требования надежности действия установок и безопасность обслуживания на судах малого водоизмещения с малыми длинами кабелей и малыми мощностями электроэнергетических установок, следует применять меньшие величины напряжения. На судах же большого водоизмещения с мощными электроэнергетическими установками и большим протяжением кабельных сетей по весовым и габаритным соображениям следует применять большие напряжения.
Для сетей освещения величина напряжения играет существенную роль. При применении переменного тока появляется возможность сеть освещения питать от тех же генераторов, что и силовую, но через осветительные трансформаторы, величину вторичного напряжения которых в таком случае оказывается возможным выбирать.
С точки зрения источников света для целей освещения целесообразно применять низкое напряжение. Лампы накаливания низкого напряжения имеют большую световую отдачу и большую механическую прочность. Однако при применении низкого напряжения увеличивается сечение кабелей и величина относительного падения напряжения в них. Большие сечения кабелей и значительные напряжения усложняют проектирование и монтаж установки. В конечном счете большие падения напряжения приводят к неизбежному снижению световой отдачи ламп накаливания, удаленных от точки питания световых источников. Увеличение же напряжения на зажимах ламп выше номинальной величины приводит к их быстрому износу; в связи с этим низкое напряжение в судовых установках для целей освещения (исключая малые суда) применяются редко.
Как уже было сказано выше, в настоящее время на судах для силовых электроэнергетических систем принято напряжение переменного тока не более 380 в.
Непрерывный рост установленной мощности судовых электроэнергетических систем весьма остро выдвигает задачу перехода на более высокое напряжение. Надо ожидать, что в ближайшее время в мощных судовых электроэнергетических системах наряду с существующими напряжениями появятся более высокие, вплоть до нескольких киловольт.
Частота переменного тока
Основной частотой переменного тока на судах отечественного флота, как и в промышленных установках, принята частота 50 гц. Применение одной частоты в промышленных и судовых установках упрощает задачу электрификации судов, так как позволяет применять на них стандартное электрическое оборудование. Однако за последние годы в СССР и за рубежом на судах начали применять повышенную частоту— 400—500 гц. Увеличение частоты переменного тока позволяет существенно снизить веса и габариты электрических генераторов, электрических двигателей, трансформаторов, магнитных усилителей, конденсаторов.
Генераторные агрегаты.
Снижение весов и габаритов генераторов повышенной частоты получается лишь тогда, когда с повышением частоты увеличивается скорость их вращения. При сохранении скорости вращения веса и габариты машин не изменяются и даже несколько увеличиваются с увеличением частоты.
Как видно из табл. 1.2, снижение веса у быстроходных генераторов на 400 пер/сек по сравнению с аналогичными генераторами с меньшей частотой вращения на 60 пер/сек. в 3,4—3,7 раза. Увеличение частоты и скорости вращения генераторов приводит к возможности уменьшить или вовсе отказаться от применения редукторов между быстроходными паровыми и газовыми турбинами и синхронными генераторами.
Таблица 1.2
Весовые и габаритные показатели синхронных генераторов фирмы «Вестингауз» на 60 и 400 пер/сек
Электродвигатели.
Повышение частоты и, соответственно, частоты вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей также приводит к снижению их весов и габаритов. Для иллюстрации этого на рис. 1.8 приведены габаритные размеры трех электродвигателей, а в табл. 1.3 даны весовые показатели короткозамкнутых асинхронных электродвигателей на 60 и 400 пер/сек, 3600 и 8000 об/мин. В табл. 1.4 приведены весовые показатели насосных агрегатов на 50 и 400 пер/сек. и, соответственно, различных скоростей вращения.
Рис. 1.8. Габаритные размеры короткозамкнутых асинхронных электродвигателей мощностью 2,2; 11 и 22 кВт на 60 пер/сек, 3600 об/мин и 400 пер/сек, 800 об/мин
Таблица 1.3
Весовые показатели короткозамкнутых асинхронных электродвигателей
Таким образом, для снижения веса электрических машин необходимо повышение частоты судовой сети. Естественно, что существенного снижения весов и габаритов установки в целом можно добиться в том случае, если одновременно с увеличением скорости электродвигателей увеличивается скорость судовых механизмов — насосов, вентиляторов и др. В противном случае введение редукторов между быстроходными электродвигателями и тихоходными механизмами снижает преимущества применения в судовых электроэнергетических установках повышенной частоты.
Таблица 1.4
Весовые показатели насосных агрегатов
Однако даже применение быстроходных электродвигателей с редукторами и тихоходных механизмов в ряде случаев может дать преимущество в отношении весов и габаритов. Последнее иллюстрируется рис. 1.9, на котором приведены габариты двух электродвигателей одинаковой мощности — один на 3000 об/мин, второй на 8000/3000 об/мин с редуктором.
Трансформаторы.
Наконец, на рис. 1.10 приведены графики, характеризующие весовые показатели силовых трансформаторов на 50 и 400 пер/сек. Как видно из этих графиков, весовые преимущества трансформаторов при повышенной частоте весьма существенны.
Рис. 1.9. Габариты короткозамкнутых асинхронных электродвигателей одинаковой мощности на 50 и 400 пер/сек с редуктором
Рис. 1.10. Весовые показатели трансформаторов на 50 и 400 пер/сек
Электрические кабели.
Повышение частоты отрицательно сказывается на весовых и габаритных показателях электрических кабелей, так как увеличение частоты вызывает увеличение потерь и сопротивлений кабелей. Последнее особенно существенно для кабелей больших сечений. В связи с этим при применении повышенной частоты часто оказывается целесообразным вместо выбора кабеля большого сечения переходить на несколько соединенных параллельно кабелей меньшего сечения.
Из сказанного следует, что повышенная частота дает весовые и габаритные преимущества в тех случаях, когда возможно применение быстроходных агрегатов и когда вес кабелей не является основным.
В судовых установках электрооборудование повышенной частоты находит применение на судах малого водоизмещения и на судах с новыми принципами движения: суда на подводных крыльях, суда на воздушной подушке, экранопланах, на которых снижение веса электрооборудования является крайне необходимым.
