Определение потребной мощности подруливающих устройств.

В начальной стадии проектирования судна для выбора тяги подруливающих устройств используются рекомендации, основанные на статическом обобщении сведений о подруливающих устройствах конкретных судов.

Суммарная тяга подруливающих устройств, установленных на судне, предусматривается рекомендациями такой, чтобы:

относительная тяга, т.е. отношение тяги подруливающего устройства к площади погруженной части диаметральной плоскости судна в грузу составляла для судов с умеренной маневренностью f=(0,05-0,1) кН/м², а для судов с повышенной маневренностью f=(0,1-0,17)кН/м²; отношение силы тяги подруливающего устройства к площади парусности судна (сумма проекций надводной части судна на плоскость мидель шпангоута) f_в =(50-120)Н/м².

Мощность электродвигателя подруливающего устройства зависит от требуемой эффективности тяги:

F _е = f·L·T; F _е = f _в·· S _н

Где:

f - относительная тяга, кН/м²

L -длина судна между перпендикулярами, м;

T -осадка судна, м;

S н = B (H-T)+∑ bh -площадь парусности судна, м²

 

При известных размерениях судна потребную тягу можно оценить более точно, для чего составляют уравнение взаимодействия аэродинамических, гидродинамических сил и потребного упора при развороте судна в сторону причала при отжимном ветре, когда вращение судна происходит относительно точки закрепления кормовых швартовых. Этот маневр аналогичен отвалу судна от причала при прижимном ветре. Расчетной скоростью ветра рекомендовано считать наибольшее значение скорости пятибалльного ветра по шкале Бофорта V=9,8м/с. Мощность подруливающего устройства можно оценить, зная примерные значения удельной тяги выбранной конструкции подруливающего устройства.

 

P _пу = F _е/ f _уд [кВт]

 

Где:

f уд- удельная тяга, которая для современных подруливающих устройств с винтами в поперечном канале составляет 140-170 Н/кВт.

Для более точного расчета мощности электродвигателя подруливающего устройства можно выполнить гидродинамический расчет устройства, когда по заданной потребной тяге и выбранном диаметре канала определяют скорость истечения воды V, нагрузку движителя по упору, коэффициенты гидравлических сопротивлений, потребное дисковое отношение, выбирают серию винтов и с помощью диаграмм k₁ =f(λ_s)-(зависимости коэффициента упора от относительной поступи винта),определяют соответствующую наибольшему значению коэффициента полезного действияоптимальную частоту вращения.

Мощность электродвигателя подруливающего устройства можно рассчитать по уравнению:

 

Р = F _e V / η _s η _m

 

Где:

η _m-кпд механической передачи;

η _s-кпд винта

Двигатель выбирается из условия P≤Pном30, где Рном30-номинальная мощность в 30-минутном режиме работы.

 

4. Управление электроприводами подруливающих устройств.

Для создания существующими подруливающими устройствами необходимого упора нужна мощность соизмеримая с мощностью одного генератора или превосходящая её. Поэтому выбор типа электродвигателя и схемы его управления зависит от многих причин: от конструктивных особенностей подруливающего устройства, места его установки, назначения и конструкции судна, мощности установленных генераторов, уровнем автоматизации судовой электростанции и т.д.

На речных судах мощности первых подруливающих устройств составляли 50-70 кВт, не было жесткого требования к плавному изменению упора, ограниченное пространство в носовой части судна способствовали стремлению использовать привод с трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором при питании от судовой электрической сети. Управление практически сводилось к пуску в ход и остановке электродвигателя. Так на первых теплоходах типа «Волга-Дон», на пассажирском теплоходе проекта 588 типа «Родина» асинхронные электродвигатели пускались в ход при пониженном напряжении переключением со звезды в треугольник, на теплоходах проекта 507А использовали реостатный пуск с одной ступенью, на т/х типа «Невский» реостатный пуск в 2 ступени. Эти методы не обеспечивали необходимого избыточного момента при пуске, поэтому разгон происходил медленно, при значительных токах, что приводило к провалам напряжения до 30%,а при малой нагрузке генераторы выходили из синхронизации. Пробовали заменить резисторы управляемыми реакторами, но они имели большую массу, а реактивный ток приводил к размагничиванию синхронных генераторов. Для уменьшения реактивных токов пытались в фазы статора в момент пуска электродвигателя включать колебательный контур, но большие габариты и масса установки заставили отказаться от её использования.

На дизель-электроходе пр.20 «Ленин» применили двухскоростной асинхронный двигатель с короткозамкнутым двухклеточным ротором. Тихоходная обмотка с числом пар полюсов р=4, мощностью 75кВт была выполнена двумя параллельными ветвями, которые в момент пуска включались последовательно для уменьшения броска тока. Быстроходная обмотка имела три пары полюсов и мощность 175кВт. Работа электродвигателя на быстроходной обмотке была возможна при работе любых двух генераторов на шины ГРЩ. Включение быстроходной обмотки осуществлялось через одноступенчатое сопротивление в функции времени.

С появлением конструкций ПУ имеющих два вала для подсоединения электродвигателей и трехвальных редукторов, способных равномерно распределить нагрузку между двигателями, появилась возможность вместо одного использовать два электродвигателя мощностью равной половине мощности ПУ. При использовании движителей с небольшим и мало меняющимся в процессе разгона моментом сопротивления (КД, ВРШ) пуск электродвигателей легко осуществить при незначительных провалах напряжения достаточно простыми схемными решениями. Применение этих движителей обеспечивает и оптимальное решение вопроса плавного изменения упора по величине и направлению.

Для ПУ, где в качестве движителей используются обычные или симметричные ВФШ, центробежные или осевые насосы, широко используются асинхронные двигатели с фазным ротором, пуск в ход которых осуществляется по нескольким пусковым ступеням. Пусковой ток составляет 1,2 – 1,4 I_ном. Последние пусковые ступени рассчитываются и используются для регулирования скорости двигателя от 50 до 100 % номинальной частоты вращения.

Рассмотренные способы управления предполагают предварительный пуск, синхронизацию, подключение к шинам ГРЩ одного или двух генераторов, распределение активной и реактивной мощностей. При пуске (пусках) подруливающих устройств возникают провалы напряжения, а при восстановлении напряжения оно может превысить номинальные значения, что отрицательно сказывается на работе радиоаппаратуры и ламп накаливания.

Для уменьшения провалов напряжения в силовой сети и повышения устойчивости и надежности её работы начали применять схему питания электропривода ПУ от отдельного генератора, что возможно только когда мощность электродвигателя ПУ меньше или равна мощности одного генератора. Для реализации такой схемы питания в генераторной секции достаточно установить переключатель, с помощью которого генератор можно подключить либо к шинам ГРЩ, либо к кабелю питания электропривода ПУ.

После соответствующих изменений в схеме силовой сети на т/х пр.507А был осуществлен следующий принцип управления. После подключения генератора и электродвигателя к кабелю питания пуск в ход двигателя осуществляется постепенным подъемом напряжения генератора увеличением тока возбуждения при постоянной частоте вращения дизеля. При отключении двигателя обмотка возбуждения генератора замыкается на устройство гашения поля, а её цепь питания разрывается. При последующем пуске шунтируется сопротивление в цепи обмотки возбуждения, собирается цепь её питания и подъемом напряжения производится пуск электродвигателя ПУ.

Недостатки этого метода: затяжные пуски при больших токах; резкие перепады нагрузки на генераторе приводят к повышенному износу шатунно-поршневой группы дизеля и расстройству газораспределения.

На научно-исследовательских судах типа «Академик Курчатов» пуск и регулирование частоты вращения электродвигателей ПУ осуществляется изменением частоты вращения дизель-генератора, при этом изменением напряжения возбуждения осуществляется закон частотного регулирования U/f=const.

С развитием полупроводниковой техники и появлением преобразователей частоты стали появляться электроприводы, выполненные по системе ПЧ–АД. Первыми применялись электроприводы с преобразователями с непосредственной связью. Они не давали широкого регулирования частоты и напряжения, резко ухудшали параметры энергии силовой сети..

Появление преобразователей нового поколения, выполненных на IGBT-транзисторах, привело к их широкому использованию в судовом электроприводе. Первый опыт практического использования частотных преобразователей на IGBT-транзисторах связан с судном-сборщиком льяльных и сточных вод «Брянск». На его борту было установлено ПУ с винтом фиксированного шага с приводом от частотно-регулируемого электропривода, состоящего из асинхронного электродвигателя и частотного преобразователя мощностью 45 кВт. Как показал опыт эксплуатации установки, такой преобразователь частоты позволяет плавно регулировать скорость вращения и тягу винта от нуля до максимального значения, обеспечивая реверс, плавный пуск и остановку винта

Первыми в России в 2002 году сертифицированы Российским Морским Регистром и Российским Речным Регистром морские частотные преобразователи серии EI-M, выполненные на IGBT-транзисторах. За последние годы преобразователи этой серии с единичной мощностью от 22 до 315 кВт были установлены на десятках отечественных судов и на сегодня являются наиболее перспективными в электроприводе ПУ.