Курсовая. Курсовик ц. Выбор параметров и основных элементов гребной электрической установки

• Название: Выбор параметров и основных элементов гребной электрической установки
• Анкор: Курсовая
• Дата: 16.11.2020
• Размер: 312.78 Kb.
• Имя файла: Курсовик ц.docx
• Тип: Курсовой проект; #151009

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего образования

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»

Курсовой проект по дисциплине «Гребные электрические установки» на тему:

«Выбор параметров и основных элементов гребной электрической установки»

Курсанта 5-го курса СМФ специальности

«Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»

Кириллова Владимира Олеговича

Проверил:

преподаватель кафедры ЭСЭСА

Нещеретный Н.С.

Новороссийск 2016

Содержание.

Введение………………………………………………..3

1. 
   Выбор гребного ЭД и главного генератора……….4
   
2. 
   Защита ГЭУ………………………………………...12
   
3. 
   Выбор системы управления ГЭУ………………....17
   
4. 
   Выбор схемы главного тока…….……………...….22
   

Заключение…………………………………………….23

введение.

Гребная электрическая установка (ГЭУ) представляет собой комплекс, состоящий из первичных двигателей, генераторов, преобразователей энергии ГЭД, движителей, аппаратуры управления, регулирования, защиты, блокировки, предназначенный для движения судна.

Цель курсового проекта: разработать ГЭУ переменного тока, работающую автономно или в составе единой электроэнергетической системы.

Преимущества гребной электрической пропульсивной установки по сравнению с тепловой пропульсивной установкой:

1) Возможность применения серийных нереверсивных быстроходных дизелей

2) Возможность сокращения валопровода

3) Повышенная маневренность

4) Осуществление дистанционного управления со всех постов управления

5) ГЭУ устраняет передачу вибрации и ударов с гребного винта на первичные двигатели

6) Большое количество агрегатов повышает живучесть

7) При номинальной мощности дизеля достигается меньший расход топлива

8) Уменьшение вибрации и шума при работе

9) Движение подо льдом ГЭУ

Область применения ГЭУ: установка на такие типы судов как буксиры, траулеры, рыболовные суда, танкера, газовозы, ледоколы и прочие.

1. Выбор гребного электродвигателя и главного генератора

1.1 Расчет буксировочной мощности

Выбор гребного электродвигателя (ГЭД) и главного генератора (ГГ) начинают с расчета буксировочной мощности судна. Приближенные методы определения буксировочной мощности – Папмеля, Эйра, адмиралтейских коэффициентов, используют полученные экспериментально диаграммы, учитывающие сопротивление воды при движении различных судов.

Д
иаграмма для определения эмпирических коэффициентов формулы Папмеля [1] приведена на рис.1.

Рисунок 1 - Диаграмма для определения эмпирических коэффициентов формулы Папмеля

Для судна нормальных обводов при заданной скорости _S, буксировочная мощность N_R определяется из формулы Э.Э. Папмеля:

, (1)

где V – объемное водоизмещение судна, м³;

V = Vт *0,953

V = 9000 * 0,953 = 8577 м³

L – длина судна, м;

_S – скорость судна, уз;

с – эмпирический коэффициент, определяемый из диаграммы, рис 1;

х – множитель, зависящий от числа гребных валов

Таблица 1 – Значение коэффициента x от числа валов

Число валов	1
х	1

 - поправочный коэффициент длины судна, равный

, (2)

Т.к. L = 121.0 ≥ 100.0 м, то берут ;

 - характеристика остроты корпуса судна, равная

, (3)

где δ_п – коэффициент общей полноты корпуса при В и Т – размерах ширины и осадки, м

(4)

= 0,595



Тогда эмпирический коэффициент из формулы Папмеля определяется:

v = vs

v = 15 * = 1.162

По графику выбираем с = 77.

Тогда из (1):



Полученное значение буксировочной мощности N_R определяет в основном мощности гребного электродвигателя и главного генератора ГЭУ.

1.2 Расчет мощности на валу гребного электродвигателя и
определение его частоты вращения

Мощность на валу ГЭД – Р_ДВ определяется по полученному значению буксировочной мощности N_R следующим образом:

1) определяется буксировочное сопротивление R или равная ему полезная тягу Р_е, кН:

, кН (5)

где (т.к. )

= 270 кН

ϑ = 0.515 * 15 = 7.725 м/с

2) Коэффициент попутного потока W по формуле Тейлора для одновинтовых судов

(6)

= 0.24

3) Коэффициент засасывания t по формуле Шенхерра для одновинтовых судов t₁ = kW₁, где

k = 0.5 ÷ 0.7

Выбираем k = 0,5

Тогда

t = 0.5*0.24 = 0.12

4) Полная сила упора Р, кН, создаваемая гребным валом

(7)



5) Осевая скорость винта _р, м/с, относительно струи воды

(8)



6) Диаметры гребных винтов при размещении в кормовом подзоре для одновинтовых судов

(9)

где Т_к – осадка судна кормой, м.



7) Определяется по вспомогательной диаграмме Папмеля КПД изолированного винта _р:



,

и пропульсивный КПД:

(10)

= 0,86

8) Определяется мощность, подводимая к гребному винту N_p, кВт

(11)



9) Суммарная мощность ГЭД с учетом КПД валопровода _В  0,950,98 определяется из выражения:

(12)



10) Определяем мощность, подводимую к одному гребному электродвигателю:

, кВт (13)

= 1279 кВт

где n – количество гребных электродвигателей.

1.3 Выбор уровней напряжения ГЭУ

Учитывая суммарную мощность ГЭД в 1279 кВт принимаем уровень напряжения ГЭУ равным 3 кВ.

4. 
   Выбор гребных электродвигателей и главных генераторов ГЭУ
   

В качестве ГЭД выбираются две модели HXR 560LM2 фирмы ABB. Их технические характеристики приведены в таблице 2.

Устанавливаем их парно, воздействие на гребной вал будет осуществляться посредством редуктора.



Рисунок 2 «Схема редуктора к выбранным ГЭД»

Выбор главных генераторов производят из условий максимального КПД установки, простоты обслуживания, надежности работы и минимальной стоимости ГЭУ. Мощность главных генераторов определяют по мощности гребных электродвигателей с учетом режимов работы ГЭУ и предполагаемого применения специфических приемников, работающих в этих режимах, а скорость ГГ – в соответствии со скоростью первичных двигателей.

Режимы работы ГЭУ:

а) режим стоянки – работают системы управления и контроля, вентиляция, насосы охлаждения и т.д.;

б) ходовой режим – мощность ходового режима определяется с учетом суммарной мощности общесудовых приемников, используемых только в ходовом режиме (не относящихся к ГЭУ);

в) маневренный режим – мощность этого режима определяется прибавлением мощности потребителей, включаемых только в маневренном режиме (подруливающее устройство, привод шага ВРШ);

г) режим стоянки с грузовыми операциями – также требует увеличения мощности за счет приемников, включаемых при грузовых операциях.

С учетом этих мощностей выбирается число и номинальная мощность генераторов.

К конструкциям электрических машин ГГ и ГЭД также применяют особые требования. Обычно такие электрические машины выполняются в брызгонепроницаемом или водозащищенном исполнении, с принудительной вентиляцией по замкнутому или разомкнутому циклу и определяются требованиями Правил Регистра. Так, при замкнутой системе вентиляции, необходимы устройства контроля температуры выходящего воздуха и воды, а при принудительном воздушном охлаждении каждый из двух вентиляторов должен обеспечить нормальные условия работы ГЭД.

Система принудительной смазки должна также оборудоваться двумя насосами, каждый из которых обеспечивает нормальную работу установки, при контроле давления и температуры масла на выходе из подшипников. При этом масляная система ГЭД должна иметь фильтр очистки и расходную

При выборе первичных двигателей для привода генераторов необходимо учитывать снижение их мощностей при эксплуатации судна в условиях повышенной температуры воздуха и забортной воды.

Дизели должны обеспечить работу с перегрузкой не менее 10% номинальной мощности в течение не менее 1 часа (турбины – 20% в течение 5 мин). При превышении номинальной (расчетной) частоты вращения дизеля более чем на 10% должна снижаться подача топлива регулятором, а при превышении частоты вращения более чем на 15% (турбин – 20%)- предельный регулятор прекращает подачу топлива. Кроме этого турбоагрегаты должны иметь регулятор скорости, ограничивающий частоту вращения при полном снятии нагрузки ниже уставки срабатывания предельного регулятора (выключателя).

В качестве ГГ выбираем три модели SGen-100A 2p фирмы Siemens. Их характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 2 – Технические данные ГЭД

Тип ЭД	Мощность кВт	Напряжение В	Частота вращения	КПД	Частота Гц
3-фазный асинхронный	1400	3000	2989 об/мин	97.4%	50

Таблица 3 – Технические данные ГГ

Тип ЭД	Мощность кВт	Напряжение В	Частота вращения	КПД	Частота Гц
Возд. охл-я	2000	3000	1500 об/мин	98%	50

2. ЗАЩИТА ГЭУ.

2.1 Требования к защите ГЭУ.

Требования к защите ГЭД:

1. 
   Защита от перегрузки в главных цепях и цепях возбуждения должна быть настроена таким образом, чтобы исключить ее срабатывание при перегрузках, вызванных маневрированием судна, при ходе в штормовых условиях, или ходе в битом льду.
   
2. 
   Защита от коротких замыканий и перегрузки двигателя может обеспечиваться преобразователем. При этом должны быть приняты во внимание различия в конструкциях гребных электрических машин (машина постоянного тока, синхронная машина, асинхронная машина или машина с возбуждением от постоянных магнитов).
   
3. 
   Должно быть предусмотрено независимое устройство защиты от чрезмерной частоты вращения (разноса). Гребной электрический двигатель должен выдерживать чрезмерную частоту вращения в пределах рабочих характеристик защитного устройства, настроенного на срабатывание при заданной чрезмерной частоте вращения.
   
4. 
   Двигатель должен выдерживать без повреждений токи внезапного короткого замыкания на его клеммах при номинальной нагрузке. Установившийся ток короткого замыкания двигателя, имеющего постоянное возбуждение, не должен приводить к термическим повреждениям обмоток и его токонесущих компонентов, токосъемных колец, кабелей, фидеров или шинопроводов.
   

Защита ГЭУ должна обесточивать только аварийные элементы с сохранением остальной части установки в работе.

Главные машины переменного тока мощностью более 1000 кВт должны иметь дифференциальную защиту, действующую на отключение цепей возбуждения. Применение в главных и цепях возбуждения плавких предохранителей не допускается.

Обычно, по требованию Регистра в ГЭУ применяют:

• 
  максимальную защиту и защиту от перегрузок (с предварительной индикацией о перегрузке);
  
• 
  нулевую защиту- от самопроизвольного пуска после срабатывания любой из защит;
  

-защиту от превышения частоты вращения ГЭД, обеспечиваемую системами возбуждения и автоматики;

• 
  защиту от заземления на корпус токоведущих частей;
  
• 
  защиту от коротких замыканий в цепях автоматики и сигнализации, контрольных ламп и измерительных приборов.
  

Блокировки должны исключать:

• 
  неправильные последовательности включения;
  
• 
  переключение под током элементов, переключаемых при снятом напряжении;
  
• 
  управление ГЭД более чем с одного поста управления;
  
• 
  пуска ГЭД при включенных валоповоротных устройствах.
  

Все элементы схем должны выбираться с соответствующим коэффициентом загрузки, так для полупроводниковых приборов К₃ = 0,6 – 0,7 при их выборе по максимальным параметрам в переходных режимах.

2.2 Перечень видов защит для оборудования, входящего в ГЭУ.

Защита реле.
В электроустановках устройства защиты и реле используются для защиты человеческой жизни от недостатков в электрической системе и для того, чтобы избежать повреждение оборудования в эксплуатации в пределах установленных лимитов. Физическое повреждение оборудования может быть значительно снижено, например, при коротком замыкании.
Реле защиты обычно расположены в распределительных щитах или иногда в специальных контрольных и защитных панелях.
Существует целый ряд реле различных типов и функций, предназначенных для специализированных применений. Сегодня использование цифровых программируемых реле защиты является распространенным явлением. Цифровые реле могут содержать ряд защитных функций, которые могут быть с поддержкой расширенной ручной настройки и собраны для защиты конкретного оборудования под требуемые параметры.
На основе измерения токов, напряжения, частоты и др., защита устройства запрограммирована для отключения части оборудования или системы в заданный интервал времени, который может зависеть от амплитуды измеряемых величин.
Защитные функции и характеристики определяются стандартами, такие как ANSI/IEEE и IEC, возможно, с некоторыми поправками. В ANSII С39.90 имеется список устройств защиты и функций, которых хватит для разработчика (электромеханика). Эта система может быть использована на схемах подключения, в инструкции и в спецификации.
Схема защиты будет варьироваться в зависимости от эксплуатационных требований и конфигурации системы. Типичная схема защиты может включать в себя следующие функциональные возможности:


1) Распределительные щиты:
-По понижению и превышению напряжения, как правило, обычный сигнал тревоги;
-Понижение и превышения частоты, как правило, обычный сигнал тревоги;
-Замыкание на землю, отключение или сигнализация;
-Дифференциал, или другое недолгое короткое замыкание.


2) Генератор:
-Перегрузки по току и короткому замыканию;
-Замыкание на землю;
-Обратная мощность;
-Отрицательная последовательность фаз;
-Понижение и превышение напряжения;
-Превышение частоты;
-Перемагничивание емкостной реактивной мощности;
-Дифференциальная защита с трансформатором пусковой блокировки; -Синхронизации проверок со скоростью выхода на разъединитель и перевод фидеров;
-Короткое замыкание – может быть включено в защиту генератора;
-Замыкание на землю;
-Проверка синхронизации;
-Дифференциальная защита (в кольцевой конфигурации сети).


3) Фидера трансформатора:
-Перегрузка по току;
-Короткое замыкание;
-Тепловая перегрузка;
-Замыкание на землю;
-Пониженное напряжение;
-Иногда, особенно для больших трансформаторов, дифференциальная защита.


4) Фидера двигателя:
-Перегрузка по току;
-Короткое замыкание;
-Замыкание на землю;
-Тепловая перегрузка;
-Отрицательная последовательность фаз.


5) Пуск двигателя:

- Остановка;

- Количество пусков;

-Замыкание на землю;

-Пониженное напряжение.

2.3 Описание видов защит.

Проектирование и установка соответствующей схемы защиты - это компромисс между общим желанием отключиться (неисправное оборудование с минимальной задержкой по времени), и необходимостью отключения, установленной заводом. Последнее требование рассматривается по селективности или защитного устройства координации (PDC) исследований. Цель этих исследований заключается в защите согласно документации класса судна и судовладельца, которые были разработаны по мощности системы.


Правильная настройка и проверка настройки при вводе в эксплуатацию и регулярное техническое обслуживание имеет важное значение для безопасной работы судна. Неисправность или ухудшение параметров калибровки могут дать нежелательные последствия и даже «блэкаут» судна от сравнительно незначительных неисправностей. Защита реле не срабатывает при нормальной эксплуатации, важно также проверять их функциональность калибровки и регулярное тестирования программы. Например, при коротком замыкании и перегрузок по току реле срабатывает. Характеристики и уставки реле обычно представляются в логарифмической диаграмме.
Как правило, постоянный рейтинг подключенного оборудования определяет нормальный диапазон нагрузок. Некоторое оборудование имеет перегрузки в диапазоне, где разрешен запуск при нагрузках, превышающих номинальные значения в более короткие промежутки времени. Существует несколько видов обратных токов, поэтому оборудование адаптируют к специфическим требованиям. На большие перегрузки по току реле защиты может либо обеспечить мгновенное отключение либо отключение с выдержкой времени. Например, для тяговых трансформаторов мгновенное отключение может быть применено для токов короткого замыкания. Также существуют точки пределов для пуска переходных процессов, которыми могут быть: пуск двигателя, ток трансформатора или пусковой током. Эта точка должна быть внутри (слева) настройки Кривой для обеспечения, оборудование может находиться под напряжением без отключения сигнала от релейной защиты.

3. ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГЭУ.

3.1 Требования к системам управления.

Основные требования к полупроводниковым преобразователям.

Преобразователи должны соответствовать требованиям раздела 12 Российского Морского Регистра

Для ГЭУ должно предусматриваться, как минимум, два полностью независимых отдельно установленных полупроводниковых преобразователя.

Для каждого преобразователя должна быть предусмотрена отдельная система управления.

Для каждой системы управления должны предусматриваться два гальванически изолированных датчика скорости. Общий корпус для обоих датчиков допускается.

Если преобразователь подает питание на ГЭД с постоянным возбуждением, то в главной цепи «двигатель - преобразователь» должен быть предусмотрен выключатель – разъединитель, который автоматически должен разрывать главную цепь в случае неисправности инвертора (выпрямителя). Должны быть предусмотрены устройства диагностики, обнаруживающие появление таких неисправностей.

Полупроводниковые преобразователи, а также аппаратура цепей главного тока должны выдерживать перегрузки по току не менее чем 250% I_ном в течение 2 с.

Преобразователи для ГЭУ должны быть рассчитаны на номинальный момент привода (номинальный момент на гребном валу). При этом должно быть учтено, чтобы кратковременные перегрузки и изменения (провалы) частоты вращения, вызванные перегрузкой, не приводили к срабатыванию защиты преобразователей.

Шкафы полупроводниковых преобразователей должны соответствовать требованиям пункта 4.6 и раздела 18 Российского Морского Регистра.

Конструкция шкафов полупроводниковых преобразователей должна предусматривать возможность быстрой замены силовых компонентов. Это может быть достигнуто применением модульной конструкции отдельных тиристоров, тиристоров одной фазы или иным способом.

Охлаждение полупроводниковых преобразователей.

Если преобразователи оборудованы принудительной системой охлаждения, то должен быть предусмотрен контроль ее состояния. В случае выхода из строя системы охлаждения должны быть предусмотрены меры, предотвращающие перегрев и выход из строя преобразователя

Для систем охлаждения должна быть предусмотрена система аварийно-предупредительной сигнализации. Сигнал АПС может быть выполнен по исчезновении потока охлаждающей среды, либо по высокой температуре полупроводников.

Единичные неисправности в системе охлаждения преобразователей не должны приводить к отключению всех преобразователей гребной электрической установки судна.

Защита полупроводниковых преобразователей .

Эксплуатационные перенапряжения в системе питания преобразователей должны быть ограничены соответствующими устройствами, не допускающими повреждений (пробоев) тиристоров.

Система управления должна обеспечивать, чтобы во всех эксплуатационных и наиболее тяжелых условиях номинальный ток полупроводниковых элементов не был превышен

Силовые полупроводники должны выдерживать без повреждений короткое замыкание на клеммах преобразователя. Допускается зашита от токов короткого замыкания предохранителями. Соответствующие обратные связи преобразователя должны контролировать (ограничивать) ток таким образом, чтобы ни один компонент не был поврежден даже в случае, когда преобразователь включен на двигатель с заторможенным ротором.

Фильтрация гармонических составляющих .

Должны применяться линейные фильтры, ограничивающие до допустимого уровня искажения синусоидальности напряжения на шинах ГРЩ при любых режимах работы ГЭУ.

Цепи каждого фильтра должны иметь защиту от сверхтоков и токов короткого замыкания. Целостность предохранителей в цепях фильтров должна контролироваться. При перегорании любого предохранителя должен быть сигнал АПС.

При конструировании и использовании линейных фильтров следует учитывать возможность их подключения в любой конфигурации. В частности, авто резонанс должен быть исключен при любых условиях нагрузки и сочетании работающих генераторов.

В случае наличия нескольких параллельных цепей фильтра должна контролироваться симметричность токов. Несимметричное распре деление токов в цепях отдельного фильтра, а также неисправность самого фильтра должны приводить к срабатыванию аварийно-предупредительной сигнализации (АПС).

3.2 Выбор инвертора напряжения переменного тока.

Имея высоковольтные генераторы и мощность системы более чем 4 МВт, считаем целесообразным выбор привода переменного тока ASC5000 фирмы ABB.

Его основные характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Тип двигателя	Тип охлаждения	Диапазон мощности	Выходное напряжение	Выходная частота
Асинхронный	Воздушное	2.5 МВт	До 6900 В	До 75 Гц

Тип инвертора

Многоуровневый инвертор напряжения, не имеющий предохранителей (VSI-MF)

Рисунок 3 «Блок-схема ASC 5000 фирмы ABB»

Назначение блоков:

Входной трансформатор может быть отдельным входным трансформатором или – в диапазоне меньших мощностей – встроенным. Встроенный входной трансформатор упрощает и ускоряет монтаж и ввод в эксплуатацию, а отдельный трансформатор обеспечивает гибкость конфигурации.

Инвертор напряжения, имеющий емкость в звене постоянного тока и осуществляющий коммутацию напряжения. Схема INU позволяет использовать схему входного выпрямителя, представляющую собой диодный мост. Помимо экономичности и надежности, диодные мосты отличаются большим коэффициентом мощности (обычно > 0,95), который остается постоянным во всем диапазоне скорости.



Рисунок 4 «Схема инвертора INU»

Система охлаждения воздушного типа. Регулирует температуру в установленных пределах.

Система управления обеспечивает связь с контроллерами технологических процессов более высокого уровня. В ACS 5000 могут устанавливаться адаптеры основных периферийных шин передачи данных для контроля и управления. Стандартный интерфейс - дистанционное подключение через LAN (локальная сеть) Доступ к:

• управлению приводом (DTC – прямое управление моментом)

• сигналам и параметрам

• регистраторам данных и отказов.

Выпрямитель преобразует ток из переменного в постоянный с последующей конвертацией его снова в переменный ток нужной частоты через звено постоянного тока.

4. ВЫБОР СХЕМЫ ГЛАВНОГО ТОКА.



Схема главного тока отображена на рисунке 5.

Рисунок 5 «Схема главного тока для разработанной ГЭУ»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данном курсовом проекте была разработана гребная электрическая установка переменного тока, работающую в составе единой электроэнергетической системы. Были выбраны генераторные агрегаты, первичные двигатели, и полупроводниковый преобразователь.