Brozović Dario Električna Propulzija

5/24/2018 Brozovi Dario Elektrina Propulzija

1/37

SVEUILITE U RIJECI

TEHNIKI FAKULTET

Diplomski sveuilini studij elektrotehnike

SEMINAR IZ BRODSKIH POGONSKIH STROJEVA

ogon elektrine propulzije

Mentor: dr.sc. Vladimir Medica

Dario Brozovi 0069048397

Rijeka, svibanj, 2014.


2/37

Sadraj:

Osnovne karakteristike..................................................................................... - 3 -

1.1 Znaajna obiljeja....................................................................................... - 3 -

1.2 Primjene elektrinog pogona...................................................................... - 4 -

1.3. Tipovi elektrino pokretanih sustava ......................................................... - 5 -

1.4. Generiranje i pretvorba energije................................................................ - 5 -

1.5 Izbor napona u sustavu.............................................................................. - 7 -

1.6. Sustav kontrole i regulacije ....................................................................... - 8 -

1.7 Generatori za elektrini pogon ................................................................. - 10 -

1.8 Pretvarai za elektrini pogon.................................................................. - 11 -

1.9. Harmonici pogonskog sustava i filtriranje................................................ - 12 -

1.10 Uzemljenje ............................................................................................. - 13 -

Istosmjerni strujni pogon sustava propulzije ............................................... - 14 -

2.1. Karakteristike sustava............................................................................. - 14 -

2.2 Pretvarai napona za istosmjerne elektrine pogone............................... - 18 -

2.3 Fizikalne karakteristike motora za istosmjerni elektrini pogon................ - 21 -

Sustavi propulzije pokretani izmjeninom strujom...................................... - 23 -

3.1 Karakteristike sustava .............................................................................. - 23 -

3.2 Pretvarai energije za pogone sa izmjeninom strujom ........................... - 24 -

3.3. Motori koji za pogon koristi izmjeninu struju .......................................... - 34 -


3/37

- 3 -

Osnovne karakteristike

1.1 Znaajna obiljeja

Pogon elektrine propulzije nudi brojne prednosti koje nadmauju poetne trokove,poveanu teinu i potreban prostor te vee gubitke prijenosa u usporedbi satradicionalnim sustavima propulzije. Elektrina veza izmeu generatora i pogonskogmotora omoguava fleksibilnost koju ne nude mehaniki pogonski sustavi. Zahtjeviza snagom mogu se ispuniti ugradnjom nekoliko sklopova generatora koji suugraeni s obzirom na ogranienje veliine prostora, teinu ili probleme stabilnosti.Kombinacija razliitih tipova strojeva koji se upotrebljavaju kao primarnipogon, kao

to su dizel motor, plinska turbina i parna turbina, se uspjeno koristi jednom kada senjihove izlazne snage pretvore u odgovarajuu koliinu elektrine energije. Zaprimarni pogon koji radi samo u jednom smjeru, elektrini pogon ima sposobnostpruiti odgovarajuu reverzibilnu rotaciju brodskog vijka pomou jednostavnogsustava kontrole rada.

U sluajevima kada razvoj eljene snage na brodskom vijku zahtijeva koritenje vievrsta primarnih pogona, npr., tipine stanice sa srednjohodnim i sporohodnim dizelmotorima, elektrini pogon omoguava spajanje vie pogonskih jedinica na brodskivijak bez koritenja mehanikih spojki. Elektrini pogonski sustav se obino sastavlja

tako da se rad plovila pri nioj snazi moe postii sa minimalnim brojem primarnihpogona ukljuenih u rad, od kojih svaki radi pri vrhu uinkovitosti. Vei gubitakprijenosa kod elektrinog pogona moe biti nedostatak s obzirom na bolje koritenjekapaciteta primarnog pogona i na zahtjeve za snagom.

Lakoa i jednostavnost kojom se brzina okretanja brodskog vijka i smjer rotacijemogu kontrolirati je jedna od privlanih karakteristika elektrinog pogona. Kontrolomse moe upravljati sa brojnih lokacija to omoguava upravljanje kormilaru ilioperateru ili se upravljati moe direktno pomou raunala za dinamikopozicioniranje kako bi se izbjegla zloupotreba ili opasan rad.

Mogue je, a ponekad i praktino, izabrati sporohodni motor koji odgovara eljenojbrzini okretaja brodskog vijka bez uporabe reduktora koji smanjuje broj okretaja. Ovajmotor moe dobivati energiju od brzohodnih generatora, to omoguava potrebnosmanjenje broja okretaja izmeu primarnog pogona i brodskog vijka. Motori sareduktorima se smatraju uinkovitim nainom za smanjenje veliine i trokaelektrinih motora. Brzohodni motori u kombinaciji sa reduktorima su laki i kotajumanje od njihovih sporohodnih, direktno pogonjenih konkurentskih motora, meutim,svaka usporedba mora ukljuiti dodatan troak i teinu dodanog reduktora i temelja.

Set generatora za glavnu propulziju se koristi i kao izvor snage za ostale ureajekada nije potrebna njihova ukupna izlazna snaga za propulziju. Ilustracija navedenog


4/37

- 4 -

je elektrina energija potrebna za pumpe tereta, hlaenje tereta ili rad pumpi nadredgerima (brodovi za iskopavanje pijeska). Nain upotrebe energije koja se izsustava propulzije koristi za potrebe broda se esto primjenjuje na brojnim plovilima.

Elektrini pogoni se grade do reda veliine 60000 hp po osovini. Iako su mogue

ovakve visokoenergetske primjene, veina elektrinih pogona je skromne primjene.

1.2 Primjene elektrinog pogona

Sustavi elektrinih pogona se koriste kada njihove karakteristike kao to suolakana kontrola, fleksibilnost i prilagodljivost razliitim upotrebama primarnihpogona predstavljaju znaajnu prednost. Openito se elektrini pogoni koriste zasljedee: Plovila koja zahtijevaju visoki stupanj manevriranja. Plovila kao to su trajekti,

ledolomci, remorkeri, istraivaki brodovi i brodovi za polaganje kablovaspadaju u ovu skupinu. U ovim sluajevima, promjene brzine i smjeraokretanja vijka su este i od velike vanosti za uspjeno manevriranje brodom.Veina ovih plovila ima strojeve koji rade sa istosmjernom strujom kako bi sebolje kontrolirao rad strojeva. ak i sa mogunostima koritenja pretvaraaizmjenine struje, istosmjerni motor koji ima mogunost prijenosa veegmomenta je prihvatljiviji izbor.

Plovila sa zahtjevima koritenja velike koliine energije za odreene svrhe.Vatrogasna plovila, bare, brodovi za buenje, brodovi za pretakanje goriva iveliki tankeri esto imaju potrebu za velikom koliinom elektrine energije tonije u skladu sa zahtjevima za koliinom energije potrebnom za propulziju.Potrebe energije za rad navedenih plovila dozvoljavaju skupini generatora dakoristi velike koliine energije za pumpanje ili manipulaciju tereta kada suzahtjevi energije za propulzijom mali ili nepostojei. Ovaj zahtjev i-ili zasnagomomoguava utede na trokovima tako to koristi smanjeni kapacitetenergije od ukupno instaliranog kapaciteta.

Plovila sa velikim hotelskim optereenje. Velika optereenja na brodovima zakrstarenje, u kombinaciji sa razliitim zahtjevima za propulzijom, predstavljamogunost rasporeda koritenja snage primarnih pogona kako bi se

odgovorilo na ciklike potrebe za energijom izborom najboljeg primarnogpogona. Za razliku od prethodno opisane skupine plovila, ukupno instaliranakonjska snaga kruzera mora odgovarati istodobnim zahtjevima za propulziju iza potrebe rada broda. Postrojenje za proizvodnju energije je malo iomoguava dobavu energije potrebne za propulziju i za hotelski rad prinajekonominijoj razini potronje goriva. Viestruki setovi dizel-generatora sekoriste za ovakve namjene, meutim, samostalne i kombinirane plinsketurbine i parne turbine sa sustavom rekuperacije topline (COGAS) takoerpredstavljaju dobru alternativu

Plovila koja koriste brzohodne, ne-reverzibilne i viestruke primarne pogone.Plinske turbine i brojni brzohodni dizel motori se koriste kao viestruke jedinice


5/37

- 5 -

za proizvodnju snage. U takvim sluajevima, elektrini pogon omoguavaprekret brodskog vijka, pretvarajui veliku brzinu primarnog pogona uodgovarajuu brzinu okretanja brodskog vijka te takoer omoguava elektrinispoj viestrukih jedinica sa jednim pogonom.

Duboko uronjena plovila. Ovakva plovila obino koriste malo propulzijskesnage i kreu se pri malim brzinama. Energija se dobije iz baterija i koristi seza pogon motora, direktno ili preko pretvaraa.

1.3. Tipovi elektrino pokretanih sustava

Setovi generatora za propulziju su sastavljeni pojedinano ili kao integriranekonfiguracije. Pojedinani sustav je onaj kod se kojeg generator za propulziju nemoe simultano koristiti za servisni rad i optereenje plovila. Npr., generator za

propulziju direktno povezan sa brzohodnom turbinom moe stvarati snagu prifrekvenciji koja je znaajno vea od standardnih 50 Hz i 60 Hz, to jeneprimjenjivo za rad ostalih brodskih sustava. U ostalim sluajevima, ovakvakonfiguracija se moe koristiti ako se dogodi prijenos ili frekvencije ili napona kojinije primjenjivza rad ostalih brodskih sustava.

Integrirani sustav koristi jedan ili vie ureaja povezanih elektronikim putem kakobi distribuirao energiju potrebnu za propulziju i za rad brodskih sustava.Frekvencija i napon se odravaju stalnima unutar dozvoljene tolerancije koja

omoguavaja koritenje energije za potrebe radnog optereenja plovila direktno ilipreko transformatora. Meutim, osjetljivije optereenje moe zahtijevati izolacijuharmonika koje stvaraju veliki pretvarai energije potrebne za propulziju. Sobzirom da osjetljiva optereenja nisu velika u usporedbi sa veliinom pogonskogsustava, najbolja praksa je koritenje seta motora i generatora kako bi se postigloizoliranje osjetljivih optereenja.

Varijacije integrirane konstrukcije su postale mogue konstrukcijomodgovarajueg sklopa za prebacivanje kako bi se omoguilo prebacivanja radageneratora ili za propulziju ili za rad brodskih sustava, ali oboje nije mogue

istovremeno.Mogu se ugraditi prekidai strujnog kruga izmeu propulzije i radabrodskih sustava kako bi omoguili operateru izbor izmeu pojedinanog iintegriranog naina rada. Meutim, ova dodatna fleksibilnost je postignuta natroak dodatnih zahtjeva za kontrolom, prostorom i teinom.

1.4. Generiranje i pretvorba energije

Skoro svi pogonski generatori na brodovima rade sa istosmjernom strujom.Termin istosmjerni sustav propulzije naglaava da sustav propulzije ukljuuje

strujni pretvara za pretvaranje izmjenine struje u istosmjernu kako bi se mogaokoristiti istosmjerni motor. Izmjenini sustav propulzije se sastoji od razliitih


6/37

- 6 -

tipova pretvaraa i izmjeninog motora. Kako bi se detaljnije opisao izmjeninisustav propulzije, koristi se jo jedan termin. Izmjenini pretvarai struje koristeciklopretvarae, pretvarae modulacije irine pulsnog signala i pretvarae kojirade na principu prijelaza optereenja. Ove 3 temeljne vrste pretvaraa i njihovevarijacije se proizvode pod razliitim trgovakim nazivima i koriste za razliitetipove brodske propulzije.

Osnovni pretvarai struje kao to su ciklopretvarai ili pretvarai koji rade naprincipu prijelaza optereenja su u upotrebi jo od poetka 20.-tog stoljea. Trendkoritenja pretvaraa u elektrinoj propulziji velikih brodova je rezultat znaajnograzvoja 2 tehnoloke grane: elektronike napajanja i mikroelektronike. Zajedno suomoguili sposobnost postizanja odgovrajueg kapaciteta i raunalnih kapacitetapotrebnih za kontrolu velikih koliina izmjenine struje unutar odreenih granica.

Sustavi propulzije sa istosmjernom strujom se obino koriste za niske i umjereneraspone snaga. Uobiajena upotreba izmjeninih motora je na plovilima kojikoriste 600hp do 10000hp snage, dok se izmjenini motori koriste na plovilimapreko 10000hp snage. Nema strogih pravila za izbor odreenog tipa propulzijezato to su oba tipa sposobna za odline performanse i pouzdan rad. Meutim,postoje fizika ogranienja za maksimalnu primjenjivu snagu istosmjernih motora.

Slika 1 prikazuje sklop elektrinog pogona u obliku temeljnog blok dijagrama gdjeje oznaena pozicija glavnih elemenata sustava: primarnih pogonaa, prekidaa,pretvaraa i motora. Iako su prikazani viestruki primarni pogoni i jedan motor,

moe se koristiti bilokoja kombinacija jedinica dokle god ukupna snaga odgovaraoptereenju. Takoer, nema ogranienja s obzirom na raznolikost vrsta primarnihpogona koritenih za pogon generatora.

Slika 1. Temeljni elektrini pogon sa viestrukim primarnim pogonima


7/37

- 7 -

Koritenje brzohodnih primarnih pogona rezultira znaajnim smanjenjem veliine iteine strojeva, poeljno je koritenje motora sa brzinama vrtnje koje odgovarajuzahtjevima te razumni trokovi odravanja i ivotni vijek. Oznaene razine kapacitetageneratora se mogu izabrati ovisno o reimu rada te omoguuju siguran radpojedinih jedinica ak i pri smanjenom radnom optereenju. Kako bi se raspodjelilooptereenje meu setovima generatora, koristi se elektronski generator sa izohronimnainom rada za automatsku raspodjelu optereenja.

1.5 Izbor napona u sustavu

Izabrani napon za elektrinu propulziju mora odraavati potrebu za razumnomveliinom kabela i uinkovitosti rotacije strojeva te uzima u obzir nacionalnestandarde koji definiraju razinu rada prekidaa strujnog kruga. Kako se poveava

veliina strujnog kruga, poveava se i potreba za veliinom napona. Povezanost nijelinearna zato to su razine napona i jaine struje u prekidaima u raskoraku. Npr., USstandard definira preferirane jaine 480V, 600V, 4160V, 6900V i 13800V.

Za sustave brodske propulzije, maksimalna doputena jaina struje dostupnihstrujnih krugova je esto odreujui faktor pri izboru napona glavnog naponskogureaja. Npr., niski naponski sustav (600V) ima najvei doputeni prekida strujnogkruga naveden u tablici ANSI/IEEE C37.16 koji ograniava generator na 3300kVA pritemeperaturi 50C. Neki proizvoai proizvode prekidae strujnih krugova dostupneza odreene razine napona, bez obzira na objavljene tablice, koji dozvoljavaju

upotrebu generatora pri razini 600V. Kada se koriste viestruki niskonaponski strojevipovezani paralelno, rezultirajue poveanje skraenog strujnog kruga moe bitiodluujui faktor pri izboru visokog napona za sustav propulzije.

Visokonaponskih prekidai su dostupni za postojee jaine struje koje se primjenjujuna generatorima koji prelaze 30000kVA. Meutim, treba obratiti panju nasposobnosti prekidaa pri skraenom strujnom krugu kako bi se sustav osigurao odprekoraenja dozvoljenih granica. Tehnike prorauna kratkih strujnih krugova iprocedure koje prepuruuje IEEE i ostali prikladni standardni se mogu koristiti zapotvrivanje prikladnih kapaciteta skraenih strujnih krugova s obzirom na razinu

napona.

Prekidai strujnog kruga razreda 600V imaju integrirani ureaj za prekidanje i nezahtjevaju vanjski izvor energijekako bi se ukljuili u sluaju kvara. Prekidaivisokonaponskih strujnih krugova openito koriste vanjske transformatore sazatitnim relejima kako bi registrirali kvar te primjenjuju odgovarajuu struju zaotvaranje zavojnice i nastanak prekida. Postoji pouzdan izvor energije potreban zaprekid kao to je npr., baterija, kako bi se osigurao rad visokonaponskog prekidaakada se dogodi kvar.


8/37

- 8 -

1.6. Sustav kontrole i regulacije

Uspjean rad elekrinog sustava propulzijezahtjeva interakciju brojnih kontrolnih iregulacijskih sustava koji djeluju na primarne pogone, generatore i pretvarae. Nekiod ovih sustava poboljavaju performanse i stabilnost sustava opskrbe energijom dokdrugi doprinose pouzdanosti i dostupnosti sustava, spreavajui nenamjernapreoptereenja koja bi mogla dovesti do zaustavljanja pogonskog sustava. Sapozicije konstrukcije sustava, znaajne karakteristike regulacijskih i kontrolnihsustava ukljuuju:

Raspodjelu optereenja meu primarnim pogonima regulator se koristi zakontrolu stvarne snage (kW) koju set generatora omoguava sustavupropulzije. Elektronski regulatori primarnih pogonaa se koriste kako biomoguili stalnu frekvenciju. Koliina optereenja koju podnose primarnipogoni se kontinuirano motri i prilagoava se dobava goriva kako bi seosigurala ravnomjerna raspodjela optereenja. Radei na ovakav nain,regulator zadrava jednak broj okretaja za sva optereenja unutarmogunosti primarnih pogona. Ovaj nain rada se naziva izohroni ipreferira se njegova padajua karakteristika pri se kojoj brzina primarnihpogona smanjuje ovisno o porastu optereenja. esto se upravljakaelektronika regulatora nalazi u prekidaima to omoguava pristup

pretvaraima napona i struje koje regulator koristi kako bi registriraopoveanje optereenja.

Raspodjela optereenja na generatoru. Automatski regulatori napona sekoriste za odravanje napona generatora pri odreenim uvjetima. Kada sugeneratori povezani u paraleli, regulator napona omoguava naine zaproporcionalnu raspodjelu struje meu njima. U sklopu koji je analogni zaproporcionalnu raspodjelu optereenja regulatora, regulatori napona za svegeneratore imaju zajedniki senzor jaine struje u svakom generatoru kakobi postigli proporcionalnu raspodjelu struje. Ovaj nain regulacije rada se

naziva kompenzacija poprene struje i preferira se njegova padajuakarakteristikapri kojoj se brzina primarnih pogonaa smanjuje ovisno oporastu optereenja. Regulator napona zahtijeva ulazni signal iz pretvaraanapona i jaine struje generatora, pa se iz tog razloga ugrauje uprekidae.

Automatsko iskljuivanje napona. Ovo je proces iskljuivanja prethodnoodabranih optereenja u sustavu kako bi se odgovorilo na pojavupreoptereenja, to moe uzrokovati neplanirano iskljuivanje setageneratora, te kako bi se optereenje odralo u granicama sposobnosti

sustava. Sustav e raditi pri niim frekvencijama kada optereenje u kWpremai dostupnu snagu primarnih pogona. Ovo smanjenje frekvencije e


9/37

- 9 -

dovesti do iskljuivanja svih generatora djelovanjem sustava zatite, ukolikose ne aktiviraju korektivne radnje kako bi se uspostavila ravnotea izmeugenerirane snage i optereenja. U integriranom sustavu, uklanjanjepreselektiranog optereenje moda nee biti dovoljno za uravnoteenjesustava. Moda e biti potrebno smanjenje snqge propulzije jer je tonajvee pojedinano optereenje. Regulatori koji se nazivaju ograniavateljisnage (koji su opisani u nastavku) nalaze se na pretvaraima snage ikonstruirani su kako bi iskoristili prednosti znaajnog pada snage na osovinikoje prati smanjenje broja okretaja brodskog vijka.

Ograniavanje snage. Ograniavanje brzine vtrnje motora pomouautomatskog regulatora je tehnika koja se koristi za kompenziranjeiznenadnog gubitka kapaciteta generatora to se moe dogoditi tijekomneplaniranog zaustavljanja skupine dizel-generatora. Isti regulatori kojispreavaju preoptereenje sustava, omoguavaju generiranje vee koliine

energije od one koja je trenutno dostupna u sustavu. Koriste se 2 funkcijeregulatora koje se kombiniraju za motrenje stanja skupine generatora i kakobi se prilagodila brzina propulzije. Prva funkcija, nazvana kilowatt iliogranienje stvarne snage, omoguava ograniavanje snage kojugeneriraju primarni pogoni. Druga je kVA ili ogranienje struje kojeomoguava ograniavanje koliine struje (i na taj nain ograniava snagu)koju proizvode generatori. Regulator ukljuuje obje funkcije koje se koristepri brojnim neuobiajenim uvjetima rada. Obje karakteristike se irokoprimjenjuju. Alarm se koristi kako bi zvunim signalom obavijestio da

regulator kontrolira snagu ili trenutne zahtjeve za strujom.Primjena automatskog regulatora zahtjeva pretvarae kVA i kilowattaugraene u upravljaku plou kako bi signali proporcionalni optereenjumogli biti poslani regulatoru za pretvaranje struje. Kada regulator odredi dapotreba za snagom premauje prethodno definiranu vrijednost, kao to je95% ukupnog kapaciteta generatora, regulator smanjuje izlaznu snagupretvaraa struje kako bi zadrao optereenje generatora na 95% traenogkapaciteta. Promjena snage se postie u vrlo kratkom vremenu. Drugipristup bi bio smanjenje optereenja kada se dogodi potpun gubitak

energije. Ako je dostupna jo jedna skupina generatora, operater iliautomatski sustav upravljanja energijom bi ga ukljuio u rad. Na razinamaenergije koje su ispod prethodno definiranih, regulator nema utjecaja napropulziju.

Kontrola priguenja. Elektronski regulatori sa pretvaraima struje morajuprovoditi kontrolu rada glavnog motora za propulziju brzo i glatko s obziromna djelovanje priguenja. Ugraene funkcije ukljuuju prethodnonamjetene graninike vremenskog tempiranja koji omoguuju kontroliranupromjenu brzine vrtnje motora koja kompenzira brzo priguenje,dozvoljavajui strojevima kao to su dizel regulatori, turbopuhala i regulatori

napona da sukladno tome poveavaju zahtjeve za snagom.


10/37

- 1 0 -

Dodatno, kontrole priguenja ukljuuju krugove za ogranienje jaine strujekako bi omoguile neprekidnu zatitu od preoptereenja motora,dozvoljavajui razvoj programirane brzine ili okretni moment pri bilo kojojbrzini vrtnje osovine. To je posebno korisno pri ubrzanju plovila. Studije suukazale da regeneriranje snage tijekom prekreta osovine pri punoj brzinivrtnje podie frekvenciju iznad dozvoljene razine te se moe programiratiautomatsko ogranienje prekreta brodskog vijka kako bi regulator ograniiofrekvenciju ili dodavanjem otpornika za apsorbiranje optereenja.

Kontrola pozicije lopatica brodskog vijka. Za plovila sa vie osovina, brzinavrtnje osovine se moe sinkronizirati pomou regulatora kako bi seeliminirale vibracije lopatica vijka nastale zbog razlike brzine vrtnjebrodskog vijka. Na nekim plovilima gdje je tlak pulzacije nastao zbog vrtnjelopatica uzrokovao vibracije trupa, regulatori su programirani kako bikontrolirali poloaj lopatica jednog vijka u odnosu na drugi. Svrha je

namjestiti lopatice pod kutem koji e tijekom vrtnje biti van faze to esmanjiti nastale pulzacije tlaka.

1.7 Generatori za elektrini pogon

Generatori koji se koriste u brodskim propulzijskim sustavima su konstruirani kako biomoguili normalan rad induciranih motora pri malim oprereenjima. Zahtjevi snageovih sustava se mogu ispuniti industrijski konstruiranim omjerom faktora snage 0.8.Meutim, nelinearna priroda toka struje u statikim pretvaraima energije moerezultirati poveanim zahtjevima za snagom i poveanim zagrijavanjem generatora uelektrino pogonjenim plovilima. Zbog toga generatori trebaju biti konstruirani safaktorom snage koji odgovara potrebama elektrinog pogonskog sustava. Veinaelektrinih pogonskih sustava, osim kod ledolomaca, koristi faktor snage 0.7 ili 0.8.Ledolomci, zbog veeg optereenja zakretnog momenta, mogu imati strojeve faktoraoptereenja 0.5.

Konstrukcija generatora koji ima statiki pretvara struje mora ukljuiti dodatak za

zagrijavanje koje se dogaa kao rezultat pojave harmoninih struja koje teku ukrilcima. Stupanj do kojeg konfiguracija pretvaraa utjee na konstrukciju generatoraje funkcija obrnuto proporcionalna broju pulzacija koje stvara pretvara: poveanjembroja pulzacija, valni oblik ima harmonike manje valne amplitude, to manje utjee nakonstrukciju generatora.

Turbinski pokretani generatori sa 3600rpm su posebno osjetljivi na harmoninestruje. Zbog velikog mehanikog naprezanja pri 3600rpm, rotori su izraeni odvrstog kovanog matrijala koji ima manje gubitke harmonijskih struja. Krilca ovihrotora su uvrena pomou elinih obujmica koje imaju sline karakteristike.

Generatori mogu biti konstruirani sa pretvaraima optereenja koji imaju minimalno24 pulsa po ciklusu, meutim za optereenja koja imaju manje od 24 pulsa po


11/37

- 1 1 -

ciklusu, generatori sa 3000rpm i 3600rpm imaju konstrukcijske karakteristike premazahtjevima naruitelja.

Uzbuda generatora je omoguena pomou uzbudnika bez etkica koji je montirandirektno na osovinu generatora. Regulator napona koji kontrolira izlaznu snagu

generatora variranjem struje na malim krilcima uzbudnika, je obino montiran nakontrolnoj ploi, s obzirom da se odatle vri praenje jaine struje i napona. Radniprijenos za strojeve je obino tako namjeten da odrava prijenos direktno prekoosovine u rasponu 12-20%. Preferiraju se nie vrijednsoti s obzirom da se direktnoutjee na raspodjelu napona. Meutim, to uzrokuje velika skraenja strujnih krugovato poveava troak pretvaraa. Dva cilja, niska raspodjela napona i odgovarajuarazina skraenih strujnih krugova, moraju biti u ravnotei kako bi se kontrolirao ovajaspekt konstrukcije generatora. Odgovarajui kompromis je postignut u rasponu 12-20%.

Manji sinhroni generatori se mogu provjetravati sa okolnim zrakom ili ventilatorommontiranim na osovinu. Kako bi se uklonila toplina, prostor generatora mora imatikoliinu zraka 70 do 100 cm3/okr po kilovatu toplinskih gubitaka generatora. Kodveih sklopova gdje uklanjanje toplinskih gubitka pomou ventilatora nije praktino,generatori su opremljeni sa bliskim sustavom ventilacije koji ukljuujeventilatormontiran na osovinu koji prisilno upuhuje zrak kroz izmjenjiva topline na principuvoda-zrak. Ovaj sklop se naziva potpuno zatvoren vodeno zrani sustav hlaenja(TEWAC). Izmjenjivai topline za ove strojeve su opremljeni dvostrukom cijevnomkonstrukcijom kako bi sprijeili da proputanje vode iz cijev doe do krilca, gdje bi

moglo uzrokovati kvar ili proboj izolacije.

1.8 Pretvarai za elektrini pogon

Kod mnogih velikih istosmjernih motora i skoro svih izmjeninih motora, koriste setransformatori kako bi visoki napon pretvorili u niski napon koji zahtjeva statikipretvara. Takoer se koriste za prebacivanje faza kod opskrbe izmjeninih motora

sa pogon koji ima vie od 6 pulseva. Podloni su harmoninim strujama pretvaraaenergije te konstruirani u skladu sa standardima specificiranima u ANSI/IEEEC57.10. Transformatori koji nisu napravljeni u skaldu sa ovim standardima se neiskljuuju iz uporabe, meutim za njihov rad su potrebne odgovarajue procedure.Transformatori konstruirani za brodske primjene moraju imati posebno oienje ipojaanja kako bi bili otporni na sile inercije koje se stvaraju u tekim zavojnicama imagnetskim strukturama kao rezultat kretanja broda.

Na brodovima se openito primjenjuje suhi tip transformatora. Meutim,transformaator ispunjen tekuinom se primjenjuje u industrijskoj praksi pogotovo gdje

napon prelazi 400V ili veliina 10MVA. Ako se za brodski pogon koristi transformatorispunjen tekuinom, spremnik mora biti konstruiran tako da su zavojnice u potpunosti


12/37

- 1 2 -

prekirvene tekuinom tijekom gibanja broda. Kada se koriste transformatori hlaenizrakom, ventilator mora biti postavljen tako da zadrava temperaturu prostora ispododreenih granica u svim uvjetima rada.

Pretpostavljeni gubici su preuzeti od prizvoaa, s obzirom da u velikim sustavima

ak i 1% gubitka predstavlja veliko optereenje za HVAC sustav. (HVAC-sustavgrijanja,ventilacije i klimatizacije)

1.9. Harmonici pogonskog sustava i filtriranje

Svi statiki pretvarai, ukljuujui one u brodskom pogonu, se javljaju kao nelinearnooptereenje i imaju potencijala za stvaranje harmoninih struja u sustavu opskrbeenergijom. Harmonine struje mogu razliito utjecati na kvalitetu snage potrebnezapogon broda, rad instrumentacije i zatitu, te nadalje, mogu uzrokovati

elektromagnetske interferencije.

Iskustvo je pokazalo da na motore razliite indukcije i veliine, poremeaj napona nedjeluje na razliit nain to je uobiajeno na motorima sa pretvaraima energije i nisupotrebne nikakve dodatne mjere. Energetski uinkoviti motori, zbog svojekonzervativne konstrukcije, imaju veu toleranciju za sustave gdje su prisutniharmonici pa se i preporuuju za takve primjene.

Na brodovima gdje se snaga za rad pomonih sustava uzima iz sustava propulzije,mora se istraiti kvaliteta zahtjeva za energijom optereenja kako bi se osigurala

kompatibilnost. Naalost, brojni proizvoai opreme ne konstruiraju i ne testirajuopremu kako bi radila u brodskim ili industrijskim uvjetima i nemaju specifino znanjepotrebno za odrediti granice energetske tolerancije svoje opreme. Kada nisu poznategranice tolernacije za energetske razine, optereenje od 120V sastavljeno odopreme za navigaciju i komunikaciju, se obino izolira proizvodnjom energije pomoumale skupine motora i generatora, dok manje osjetljiv indukcijski motor ima direktnooptereenje od strane pretvaraa direktno spojenog na glavni ureaj. Ureaj zaneprekidnu opskrbu energijom (UPS-undisrrupted power supply), takoer izoliraoptereenje od ureaja za napajanje, meutim veina UPS opreme koristi statike

pretvarae energije kao ureaje za ulazne signale ime postaju izvor i/ili ponorpodloan za primanje harmoninih struja.

U nekim sluajevima dodaju se filteri sustavu napajanja kako bi smanjili prekidenapona koje uzrokuje tok harmonijskih struja iz izmjeninih i istosmjernih motora,koritenjem pretvaraa opreteenja ili tehnologijom modulacije irine pulsnog signala.Filteri imaju kratki put impedancije za harmonijske struje koje veinom protjeu krozfilter i zaobilaze ostale komponente sustava. Filteri se sastoje od sklopa kapacitatora,induktora i otpornika koji rade skoro na istovjetnoj frekvenciji ili na priblino istojfrekvenciji harmoninih struja to zahtjeva priguenje. Kako bi imali znaajan uinak

na sustav opskrbe, koriste se 3 ili vie filtera podeenih da odgovaraju razliitimfrekvencijama. Kada se na brodu koristi vie od jedne razine napona, filteri bi trebali


13/37

- 1 3 -

raditi na istoj razini napona kao i generatori. Nedostatak filtera je da su vrlo skupi,veliki i imaju gubitke. Dinamiko meudjelovanje kapacitatora filtera i ostalihkomponenti u sklopu se mora paljivo razmotriti kada se konstruira sustav filtera kakobi se osiguralo da filter sprijei prekid napona u sustavu.

Kada napon i jaina struje u sustavu dodatno imaju stalne i znaajne harmonike,vrne vrijednosti valne amplitude napona i jaine struje moda nee biti jednakekvadratnom korijenu dvostrukog umnoka srednje kvadratne vrijednosti. Kaoposljedica, instrumenti koji mjere samo vrne ili prosjene vrijednosti valne amplitudemoda nee imati tona oitanja kao oni instrumenti konstruirani tako da na njih neutjeu harmonijske struje. Treba obratiti panju izboru mjernih instrumenata zamjerenje jaine struje, napona, stvarne snage te snage za kontrolnu plou kao i zaudaljeni sustav motrenja i sustav alarma kako bi se osiguralo da su njihovi unutarnjikrugovi konstruirani tako da omogue tona oitanja u energestkom sustavu gdje se

javljaju harmonici. Zatitni releji i ureaji za izvrtavanje na prekidaima strujnihkrugova trebaju biti izabrani iz one skupine ureaja koja odgovara srednjoj vrijednostikvadratnog korijena vrijednosti jaine struje koja protjee, kako se ne bi dogaalilani prekidi u sustavu kod kojih dolazi do statikog preoptereenja pretvaraa.

Harmonina struja najvee amplitude povezana sa pretvaraima energije se dogaapri relativnom niskom poveanju temeljne frekvencije i nalazi se unutar spektra audiofrekvencije. Fenomen nastanka visoke frekvencije, oznaen kao frekvencijskaupljinanastaje u pretvaraima zbog brze izmjene struje povezane sa fizikom radapretvaraa. Za visoke frekvencije je vjerojatnije da e utjecati na rad opreme

podlone interferencijama ili audio frekvencija ili niskih radio fekvencija. Odgovarajuiraspored sustava i fiziko odvajanje opskrbnih kabela su obino dovoljni koraci zasmanjenje utjecaja ovog fenomena.Kako bi se smanjilo irenje visoke frenvencije naostale razine napona, preporuuju se kapacitatorski spojevi izmeu krilca pretvaraa,ploica uzemljenja te primarnih i sekundarnih krilca.

1.10 Uzemljenje

Preporua se otpor uzemljenja u energetskom sustavu kako bi se ograniilo

djelovanje otputene energije nastalo tijekom kvara opreme te irenje strujeuzemljenja kroz brodsku konstrukciju. Ugrauju se otpornici za uzemljenje kako bisprijeili prirodnu otpornost kabela i rotacione opreme te termike gubitke energijenastale tijekom osipavanja struje koje se dogaa zbog kvara na spojevima sauzemljenjem. Obino shema uzemljenja ukljuuje otkrivanje kvara i alarmiranje prijeprekidanja strujnog kruga. Trebaju se izbjegavati konstrukcije strujnog kruga gdjekontinuirana struja prema uzemljenju prelazi preporueni nominalni raspon 5 do 10ampera zbog potencijalne tete koja bi se mogla dogoditi zbog poveanja magnitudeotputanja energije pri kvaru.


14/37

- 1 4 -

Istosmjerni strujni pogon sustava propulzije

2.1. Karakteristike sustava

Oprema za sustav propulzije sa istosmjernim motorom se sastoji od paralelnospojenih, viestrukih skupina srednjehodnih ili brzohodnih dizel generatora kojiproizvode izmjeninu struju koja se potom pretvara zbog potreba propulzije. Veliinamotora se moe izabrati ovisno o profilu rada koji omoguava gaenje nekih jedinicakada nain rada zahtjeva manje snage nego to je ukupno instalirano. Kako bi seiskoristile sve prednosti ovog modela, skupine generatora se ponekad biraju za dvaraspona rada.

Ukupna elektrina snaga skupine generatora je povezana na glavnu zajednikusabirnicu preko prekidaa strujnih krugova ugraenih u sklopne ormare. Ovi prekidai

strujnih krugova omoguuju ukljuivanje i iskljuivanje skupine generatora iispunjavaju zahtjeve preoptereenja i zatitu od kratkog spoja u sustavu. estopostoje i sabirnice koje omoguuju uzimanje energije preko transformatora ili skupinamotora i generatora.

Zbog prednosti kao to su teina, veliina i troak, sklopovi od 600V se preferiraju zamale i srednje sustave. Meutim, kada generator pree 3300kVA, to se moedogoditi kod srednjehodnih motora, struja punog optereenja moe prei dostupnurazinu od 600V na prekidaima strujnh krugova. U tom sluaju, bira se vea klasaprekidaa, 4160V. Ona zahtijeva od transformatora smanjenje napona na prihvatljivu

pogonsku razinu, obino 600V za pogonske strojeve snage 500hp.

Podesivi istosmjerni pretvara visokog napona je spojen sa sabirnicom prekoprekidaa ili kombinacijom prekidaa i transformatora. Poeljan je prekidtransformatora kada je prikladno, kako bi se utedjelo na trokovima. Pretvara primanadolazei izmjenini napon kako bi stvorio odgovarajui istosmjerni napon za pogonarmature motora za propulziju.

Uobiajena konfiguracija pretvaraa motora se koristi za oznaavanje nekoliko tisuakonjskih snaga u 6- pulsnom pretvarau. Slika 2 prikazuje taj sklop i opremu

istosmjernog elektrinog pogona koji se koristi na istraivakim brodovima. Pretvaraisa 6 pulseva se koriste za podesivu kontrolu brzine bonih propelera te kontroludirektnog pogona sa 2 brodska vijka, te istosmjerni pogonski motor. U ovom sluajugeneratori su povezani u paralelu sa zajednikom sabirnicom 600V koja opskrbljujebrod sa 480V za rad pomonih strojeva pomou transformatora.


15/37

- 1 5 -

Slika 2. Osnovni istosmjerni pogon za istraivaki brod

Svaki od 3 pretvaraa sa 6 pulseva je direktno vezan na sabirnicu 600V kako bi seizbjegli zahtjevi za dodatnim prostorom i teinom sklopa. Motori veih konjskih snagai motori sa specijalnim zahtjevima akustike koriste istosmjernu struju pretvaraa kojiimaju 12 ili vie pulseva. Izbor odreuje ekonominost, preferira se struja sa 12pulseva samo u velikim sustavima, s obzirom da je potreban transformator sasklopom koji moe prihvatiti 12 pulseva. Na oienjeistosmjernog motora i naponautjeu 2 faktora. Prvi faktor, uvjeti konstrukcije motora su rezultirali arbitranomgornjom granicom od 1000V. Ova granica se smatra mjerom opreza za istosmjernestrojeve koji rade u brodskim uvjetima visokih vibracija, velike vlage i estog

manevriranja i odreeni su pravilima IEEE Odbora za pomorski transport.

Drugi faktor, za mnoge sustave koji imaju pretvarae struje povezane sa sabirnicamabez prolaska kroz transformator, je najvei istosmjerni napon dostupan prema USstandardu za 600V u liniji kabela za izmjenini napon koji se pretvara u istosmjerninapon je 750V uz omjer 1:1.25. Vei omjer ulazno-izlaznog napona nastaje zbogprocesa rektifikacije kojim nastaje valni oblik koji je blii vrhu napona opskrbe. Opistehnikih uvjeta ovih vrijednosti je dan iz brojnih izvora kao i u standardu koji je razvioIEEE pododbor za tiristorski motorni pogon. Ako se transformator ugradi izmeu

pretvaraa i izvora struje, omjer napona moe biti izabran tako da dozvoljavapoveanje ili smanjenje dozvoljenog napona motora. Zbog fleksibilnosti, naponmotora moe biti specificiran iznad punog konstrukcijskog raspona do 1000V, iako senajee koristi 750V. Za bilo koju razinu prijenosa snage, smanjenje naponazahtijeva proporcionalno poveanje jaine struje, vie etkica, vie izmjenjivaa i irekabele. Takoer, doprinosi se poveanju trokova, zahtjevu za veim prostorom iteinom sustava, zato su sustavi male i srednje veliine konstruirani sa izmjeninimpretvaraima povezanim direktno sa sabirnicama. Namjera je koristiti motor savisokim naponom u kombinacijisa odgovarajuim naponom brodskog energetskogsustava.


16/37

- 1 6 -

Jednom kada se postignu traena razina napona i jaine struje istosmjernog motora,potrebno je izabrati prekidae strujnog kruga i kabele odgovarajueg poprenogpresjeka kao to je navedeno na dijagramu. Struja koju nosi armatura kabela jepredviena specifikacijama proizvoaa ili proraunima. Ako je potrebno proraunatijainu struje motora, veliina konjskih snaga osovine se zaokruuje na prvi vei brojkoristei segmente od po 50hp. Prorauni predviene strujne armature se dobijupretvorbom konjske snage motora u kilovate i djeljenjem sa istosmjernim naponom iuinkovitosti motora.

Uinkovitos veine istosmjernih motora za propulziju ulazi u raspon 92-96% koddirektnog pogona, sporohodni strojevi imaju najmanju uinkovitost, strojeva sa 400-900 rpm koji pokreu brodski vijak preko reduktora imaju najveu uinkovitost.Podaci porizvoaa se trebaju koristiti kao vodi kada su dostupni te se treba ukljuitisigurnosna granica kada nisu dostupni.

Za istosmjerni elektrini pogonu se koriste motori sa oienjem. Ovi motori imajubrzinu vrtnje proporcionalnu naponu koji djeluje na oienje. Kontrola brzine uistosmjernom sustavu se postie podeavanjem izlaznog napona izvora energije uodnosu na mali napon koji se razvija na potenciometru ili digitalnom pretvarausignala pozicije smjetenom na priguiva okretaja osovine.

Kako bi se obrnuo smjer rotacije istosmjernog motora, to je obino zahtjev kodbrodskih vijaka sa fiksnim lopaticama, mogu se primjeniti 2 pristupa. Prvi pristup kojise najee koristi je okretanje smjera protoka struje unutar polja krilca motora. S

obzirom da okretanje smjera djelovanja momenta ne djeluje sve dok se ne zamijenepolariteti polja, uobiajeno je kanjenje od nekoliko sekundi. Meutim kod veinebrodskih pogona, ovo kanjenje je beznaajno u usporedbi sa ukupnim vremenompotrebnom za promjenu brzine plovila. Druga metoda promjene smjera rotacije jepromjena smjera protjecanja struje kroz oienje. Kako bi se to postiglo, pretvarastruje je opremljen sa duplim setom ureaja za provoenje struje u suprotnom smjerukroz oienje. Drugi set ureaja se oznaava kao reverzibilni most dok se glavni setureaja oznaava kao prednji most. Okretanje smjera protjecanja struje i rezultirajuapromjena smjera zakretnog momenta se postiu u djeliu sekunde. Ekonominostpreferira pristup okretanja polja; meutim, oba pristupa su tehniki prihvatljiva.

Istosmjerni elektrini pogonski sustav, uz omoguene karakteristike elektrinogpogona, dodatno moe imati regulator za izbacivanje polja koji dozvoljava dobavukonstantne snage motoru tijekom raspona razliitih brzina vrtnje brodskog vijka.Mehanika analogija ove karakteristike je reduktor sa beskonano podesivimprijenosnim omjerom koji dozvoljava rad primarnog pogonana odreenoj brzini dokbrzina vrtnje brodskog vijka varira ovisno o optereenju.


17/37

- 1 7 -

Slika 3. Karakteristike motorne propulzije prilagoene okretnom momentu (rpm)

brodskog vijka remorkera

Slika 4. Krug istosmjernog 6-pulsnog pretvaraa struje

Slika 5. Valni oblik signala istosmjernog 6-pulsnog pretvaraa signala


18/37

- 1 8 -

Ledolomci i remorkeri su vrste plovila koje mogu imati velike koristi od navedenihkarakteristika. U takvim sluajevima, uinak zadravanjana mjestu pri tegljenju tekihtereta ili razbijanja leda uzrokuje velike varijacije karakteristike broja okretaja i snage.Kod brodova sa unutarnjim pregradama (i odreenim uvjetima navigacije), brodskivijak moe razviti potpunu snagu za okretni moment pri otprilike 70% slobodnog brojaokretaja.

Prilagodljivost karakteristika propulzijskog motora prikazana je na slici 3., osiguranaje konstrukcijom motora kako bi razvio punu snagu pri brzini koja odgovara uvjetimanavigacije u toki A te smanjenju jaine polja motorakako bi odgovarala bilo kojojdrugoj snazi za odreenu brzinu vrtnje brodskog vijka do one koja odgovara brzini prislobodnom broju okretaja u toki B. Tako motor ima isti raspon snage od toke A dotoke B. Ovo omoguava iskoritavanje punog kapaciteta variranjem rasponakarakteristike brzine vrtnje brodskog vijka, meutim, motor koji radi pri ovakvim

uvjetima treba biti puno vei i skuplji od motora koji e raditi samo u toki B.

Na brodovima gdje se koristi snaga propulzije za rad ostalih brodskih sustava,preporuuje se ugradnja transformatora za izolaciju kako bi se omoguila izolacijauzemljenja izmeu 2 sabirnice. Na relativno malom broju istosmjernih pogona,sustavu napajanja se dodaju filteri kako bi se smanjilo rasipanje napona u sustavuzbog prisutstva harmonine struje koja tee iz istosmjernog pogona. Kvalitetanapajanja i filtriranje opisani su u poglavlju 1.

2.2 Pretvarai napona za istosmjerne elektrine pogone

Istosmjerni sustavi se koriste u velikom broju i varijacijama instalacija. Uobiajeniistosmjerni sustav se sastoji od viestrukih brzohodnih dizel motora koji preko spojkipokreu izmjenine generatore sinkronizirane u zajednikoj sabirnici. Na nju supovezani statiki pretvarai napajanja koji pretvaraju izmjeninu u istosmjernu struju izauzvrat generiraju snagu na jednom ili vie istosmjernih motora koji okreu osovinubrodskog vijka.

U naponskom strujnom krugu pretvaraa nalazi se 6 silicijski kontroliranih ispravljaa

(SCR) prikazanih na slici 4. Koji su ugraeni kako bi u parovima povezivali terminaleistosmjernog propulzijskog motora,u nizu po fazama izmjeninog izvora konstantnefrekvencije. SCR na slici 4. su numerirani redoslijedom kojim provode struju. Brojaniniz se nastavlja na slici 5., koja prikazuje niz djelovanja struje u svakoj eliji. Ovajproces stvara istosmjerni izlazni napon koji ima karakteristini uzorak jednakesterostrukom umnoku ulazne frekvencije. Slika 6., prikazujenaponski krug koji jenajee koriten na brodskim pogonima velike snage sa 12-pulsnim pretvaraima.Kao to je prikazano, krug pretvaraa sa 12 pulseva koristi 2 pretvaraa sa 6 pulsevakoje stvaraju odvojena krilca transformatora spojena tako da proizvode 2 izlaznanapona koji se razlikuju za 30. Napon koji djeluje na jedan most pomou spoja u


19/37

- 1 9 -

trokutu () na skupini krilca je u fazi sa primarnim naponom dok je odgovarajuinapon u fazi pomaknutoj za 30.

Fazni pomak od 30 izmeu sekundarnog napona prikazanog na slici 6. je kljuan zarad 12-pulsnog pretvaraa, zbog toga to je odmak faze koji pomie poziciju

istosmjernog napona kako bi omoguio karakteristian oblik istosmjernog uzlaznefrekvencije napona za 12-pulsni pretvara, prikazan na slici 7.

Slika 6. Istosmjerni krug naponskog 12-pulsnog pretvaraa

Slika 7. Valni oblik 12 pulseva


20/37

- 2 0 -

Meufazni transformator koji povezuje pretvara sa motorom na slici 7. je potrebankako bi omoguio izlazni istosmjerni signal na 2 naponska pretvaraa sa po 6pulseva koji se jedan od drugoga razlikuju po faznom pomaku. Dodatno, uz izolaciju,meufazni transformator dodaje induktivnost strujnom krugu motora, to omoguavalaki izlaz istosmjerne struje.

Kao posljedica konstrukcije, izlazni valni oblik ide iz jednako rairenih segmenatanapona opskrbe i povlai se struja u jednakim segmentima iz svake ulazne faze. Zatosu frekvencije harmoninih struja tijekom opskrbe izmjeninom strujom predstavljeneu obliku jednostavnih serija neparnog broja frekvencija. Oekivane amplitudeharmoninih frekvencija za pretvarae sa 6 pulseva i 12 pulseva (s obzirom natemeljnu struju 1.0) koje teku u sustavu napajanja mogu biti procjenjene koritenjempodataka koje je objavio IEEE pododbor za pretvarae statikog napajanja i Tablice1. Poznate su amplitude i frekvencije harmonika pa je mogue konstruirati podesive

filtere signala kako bi se poboljala kvaliteta pogonske propulzije.

Pregled Tablice 1 pokazuje da su peti i sedmi harmonik za 12-pulsni pretvaraoekivano nii nego oni u krugu sa 6 pulseva. To se dogaa kada su 2 pretvaraa sapo 6 pulseva u paralelnom radu ali su im faze pomaknute za 30, to se obinopostie koritenjem trokutastog spoja (delta, ) na transformatoru. Prikladan nainprikazivanja navedene situacije je ako se zamisli da je struja petog harmonika vektorkoji rotira u smjeru suprotnom od smjera temeljne frekvencije i njegov intenzitet je 5puta jaa nego intenzitet temeljne frekvencije. Na isti nain je sedmi harmonik vektorkoji rotira u istom smjeru kao i temeljni pri intenzitetu koji je 7 puta jai nego intenzitet

temeljne frekvencije. Kada doe do faznog pomaka temeljne frekvencije za 30,komponenta petog harmonika rotira (5X30)+30 ili 180, gledano iz smjera primarnezavojnice transformatora. Peta komponenta koja ima fazni pomak 180ponitavapetu komponentu iz drugog strujnog kruga koja nema fazni pomak. Sedmi harmonikrotira u istom smjeru kao i temeljni harmonik pa je (7X30)-30 ili 180, to ponitavastruju sedmog harmonika.

Pretvarai napajanja su obino ugraeni u ormariima koje hlade unutarnji ventilatorikoji upuhujuokolni zrak preko poluvodikih ureaja, meutim, u nekim sluajevima sekoriste pretvarai hlaeni tekuinom. Brodska oprema je uglavnom konstruirana damoe raditi u uvjetima do 50. Sustav ventilacije mora osigurati temperaturu prostoraunutar radnih parametara opreme. Procjene gubitaka na pretvaraima se mogu uzetiiz dokumentacije proizvoaa ili ugrubo procijeniti na 1% energije pogona. Pretvaraimoraju biti smjeteni u prostoru koji je zatien od uljnih para, to je est sluaj ubrodskim strojarnicama.


21/37

- 2 1 -

2.3 Fizikalne karakteristike motora za istosmjerni elektrini pogon

Motori se proizvode sa jednostrukim ili dvostrukim oienjemte se montiraju na jednuosovinu koju u veini sluajeva podupiru 2 leaja. Sa pozicije minimalnog troka iteine, preferiraju se motori sa jednostrukim oienjem, meutim mogu se koristiti imotori sa dvostrukim oienjem tamo gdje su ograniene dimenzije promjera ili namjestima gdje je poeljna poveana pouzdanost dvije odvojene elektrine jedinice.

Tablica 1. Ampiltude harmoninih struja (prikazane relativno u odnosu na temeljnuvrijdnosti 1.0)

Slika 8. Priblian promjer istormjernih motora za propulziju

Slika 8. se moe koristiti za priblino odreivanje promjera motora sa jednostrukimoienjem koji ima izolaciju klase F i koristi se za propulziju broda. Podaci na Slici 8.mogu biti korisni pri analizi sklopova koji uvjetuju promjer osovine motora.

Moe se koristiti i alternativni sklop tamo gdje su velika ogranienja prostora i teinete postoji jedan ili vie sporohodnih motora koji su preko reduktora povezani sa


22/37

- 2 2 -

propelernom osovinom. Sporohodni motori imaju nie trokove, manju teinu, tetrebaju manje prostora za ugradnju. Meutim, procjene pri izboru trebaju ukljuitidodatne trokove, teinu i prostor potreban za ugradnju reduktora i sustavapodmazivanja. Tipovi istosmjernih motora koji koriste reduktore esto ukljuujeleajeve sa podmazivanjem protiv trenja pa nema zahtjeva za dodatnim vanjskimsustavom podmazivanja. Kada se koriste motori male i/ili srednje veliine zapropulziju, uobiajena je praksa ukljuiti leajeve u sklop motora. Leajevi mogu bitismjeteni na kraju motora, meutim smjetaj leajeva suprotno radnoj strani motoraomoguuje koritenje odrivnog leaja, koji se moe ukloniti sa osovine. Kod nekihsklopova direktnog pogona velike snage, moda nee biti mogue imati dovoljnukrutost konstrukcije na kojoj je ugraen motor i koja bi takoer posluila kao potpornakonstrukcija za odrivni leaj. Iz tog razloga, glavni leaj na velikim istosmjernimmotorima moe biti smjeten odvojeno od motora na krmenoj strani. Odrivni leaj ileaji motora imaju slian sustav podmazivanja i mogu koristiti isto ulje za

podmazivanje.

Motori koji se koriste skupa sa pretvaraima snage zahtijevaju posebnu konstrukcijukoja uzima u obzir utjecaj prisutstva komponente kolebanja ili fluktuacije izmjeninestruje koji se dogaaju i na izlazu istosmjerne struje. Fluktuacija komponentaizmjenine struje mora proi etkice i izmjenjiva istosmjernog ureaja, koji zbog tograzloga mora biti konstruiran od materijala koji e mu omoguiti dulji ivotni vijek.Neki istosmjerni ureaji zahtijevaju vanjski istosmjerni pretvara koji smanjujefluktuaciju struje kako bi bili kompatibilni sa izmjenjivaem. Javlja se dodatnozagrijavanje tijekom rada istosmjernog ureaja zbog komponente fluktuacijeistosmjerne struje i djelovanja njene histereze te gubitaka koji nastaju pojavomlutajuih vrtlonih struja u magnetskoj strukturi. Zbog svega navedenog, potreban jedodatni materijal i posebna panja posveena odgovarajuem sustavu hlaenja kakobi se osigurao rad bakrenih krilca unutar dozvoljenih temperaturnih ogranienja. 6-pulsni pretvara ima veu amplitudu fluktuacije istosmjerne struje nego pretvara sa12 pulseva, stoga ima i vea ogranienja po pitanju konstrukcije istosmjernogmotora. Motori obino imaju odvojene prolaze malog otpora za odvoenje struje,pobuuju se odvojeno dovoenjem elektrine energije smjetene u opremi zapretvorbu energije. Oprema za pobuivanje ukljuuje redundanciju i ostale

karakteristike potrebne za osiguranje stalnognapajanja energijom pod razliitimuvjetima, to je u skladu sa vanosti kontroliranja snage potrebne za propulziju.

Manji istosmjerni motori su obino opremljeni sa odvojenim puhalima koje pokreuizmjenini motori, puhala slue za ventiliranje strojeva zrakom. S obzirom da puhalamoraju raditi kad god je motor u radu, puhala imaju male pogone izmjeninih motorasmjetene i kontrolirane od strane pretvaraa energije. Ventilatore montirane naosovinama istosmjernih motora nije preporuljivo koristiti zbog polja malog otpora todovodi do zaobilaznog prolaza struje koje ima stalne gubitke te nema adekvatnoghlaenja pri niim brzinama vrtnje motora. Kod velikih instalacija, gdje postojeznaajni toplinski gubici i gdje su strojevi smjeteni na odreenoj udaljenosti od


23/37

- 2 3 -

izvora vanjskog zraka, motori su opremljeni sa zatvorenim sustavom ventilacije, gdjepuhala pokretana izmjeninim motorima prisilno upuhuju zrak kroz izmjenjiva toplinegdje se potom nastala toplina zraka predaje rashadnoj vodi.

Sustavi propulzije pokretani izmjeninom strujom

3.1 Karakteristike sustava

Sustavi propulzije pokretani izmjeninom strujom se obino koriste na plovilimasrednjih i velikih raspona snaga. Motori izmjenine struje mogu raditi pri snagama60000 hp i nemaju znaajnih fizikalnih ogranienja povezanih sa maksimalnomsnagom propulzije koja se moe ugraditi. Mogu se koristiti integrirani ili pojedinani

sklopovi sustava ( opisani u Poglavlju 1) za sustave propulzije pokretaneizmjeninom strujom, meutim, ee se biraju integrirani sustavi, posebno zaputnike brodove. Pri upotrebi integriranih pogonskih sustava, optereenja motora zapropulziju velikih brodova su direktno povezana sa naponom glavne sabirnice, doksu mala optereenja povezana sa transformatorima i postoje ugraeni sklopovimotora i generatora za osjetljiva optereenja. Nema ogranienja po pitanju izboraprimarnih pogona koji se mogu koristiti, ali srednjohodni dizel motori su uobiajeniizbor za pokretanje generatora. Kapacitet generiranja energije potreban za opskrbuvelikih sustava koji koriste opremu srednjeg napona (4160V ili 6900V) se kontrolira

na glavnoj upravljakoj ploi.

Motori koji rade na izmjeninu struju imaju manje gubitke od istosmjernih motora tezbog toga imaju veu uinkovitost prijenosa. Ukupan gubitak u sustavu izmjeninogelektrinog prijenosa, izmeu primarnog pogona i propelerne osovine je u rasponuod 6% do 8%. Jo jedna prednost kod izbora izmjeninih motora je uklanjanjepotrebe za odravanjem izmjenjivaa to je sluaj kod istosmjernih motora.

U rasponu sustava elektrine propulzije srednje do jake snage, veina motora jesinhronog tipa sa poljem niskog otpora. Uobiajena uinkovitost od 96% do 98%

direktno pogonjenog sinhronog motora je obino 3% do 4% vea nego u usporedbisa indukcijskim motorom. Dodatno, uz poveanu uinkovitost, vea zranost izmeurotora i statora sinhronog motora omoguava veu toleranciju u sluajuneodgovarajueg poravnavanja, to omoguava bolju instalaciju i zahtjeva manjeodravanja.

U ranim danima primjene,turbine su se najee koristile kao primarni ureaji zapokretanje izmjeninih elektrinih pogona. Sustav se obino sastojao od jedneturbine direktno povezane sa brzohodnim generatorom koji je pokretao jedansporohodni, direktni sinhroni tip motora. Uinkovit prijenosni omjer brzine turbine u

odnosu na brzinu motora je bio fiksno vezan omjerom polova generatora u odnosuna polove motora. Kontrola brzine brodskog vijka se odravala variranjem brzine


24/37

- 2 4 -

okretanja turbine. Bez tehnologije za pretvorbu energije, ovi rani sustavi su biliogranieni na jedan do dva fiksna omjera brzine. Drugi omjer brzine je bio dostupansamo pomou indukcijskog motora opremljenog sa krilcima sa promjenjivimpolovima.

Dosadanje primjene koriste pretvarae snage kako bi promjenili konstantnufrekvenciju izmjeninih pretvaraa u promjenjivu frekvenicju izmjeninih pretvaraakoju takoer mogu koristiti direktno pokretani motori sinhronog tipa. Brzinasinhronogizmjeninog motora je direktno proporcionalna frekvenciji koja djeluje na krilcastatora. Zato se kontrola brzine izmjeninog elektrino pokretanog sustava postiepodeavanjem izlazne frekvencije pretvaraa struje ovisno od malog referentnognapona na potenciometru ili digitalnom ureaju za dekodiranje poloaja smjetenomna osovini.

Slika 9. Krug invertera sa 6 pulseva i promjenjivim optereenjem

Kako bi se obrnuo smjer rotacije izmjeninog motora, fazni pomak napona kojegstvara generator se elektronski mjenja pomou regulatora ugraenog u pretvara.Rotor sinhronog izmjeninog motora slijedi frekvenciju i fazni pomak napona kojidjeluje na krilca statora tijekom rotacije.

3.2 Pretvarai energije za pogone sa izmjeninom strujom

Pretvarai energije pretvaraju istosmjernu elektrinu energiju u izmjeninu i obratno,ili mjenjaju frekvencije struje iz jedne u drugu. Tipini pretvara u sustavima brodskepropulzije koristi skup razliitih kontroliranih pretvaraa to je prikazano na slici 4.Kada pretvara izmjenine struje koristi skup fiziki istig pretvaraa, kao to su

inverteri optereenja (LCI) kao to je prikazano na slici 9. ili pretvarai irine pulsnogsignala (PWM) kao to je prikazano na slici 10, ovi jednostupanjski pretvarai se


25/37

- 2 5 -

nazivaju pretvarai izvora ili pretvarai optereenja, ovisno o mjestu gdje senalaze u strujnom krugu. Tradicionalno, pretvarai izvora su povezani sa dolaznomenergijom a pretvarai optereenja su povezani sa motorom. LCI i PMW se nazivajudvostupanjskim pretvaraima jer moraju dva puta pretvarati struju, jednom pomoupretvaraa na izvoru i drugi put pomou pretvaraa optereenja. Ciklopretvara (CCVcycloconverter) je jo jedna vrsta pretvaraa koji je kategoriziran kao jednostupanjskipretvara iz razloga to pretvara struju samo jednom. Sinhroni motori se mogukoristiti kao LCI, PWM ili CCV pretvarai, meutim, samo su PWM i CCV pretvaraiprikladni za indukcijske motore.

S obzirom da brzina izmjeninih motora slijedi frekvenciju elektrine energije,kombinacija pretvaraa energije i izmjeninog motora dozvoljava glatko podeavanjebrzine brodskog vijkatijekom itavog raspona brzine.

Slika 10. Krug modulacije irine pulsnog signala i valni oblik izlaznog signala

Uobiajena metoda kontrole brzine motora je pomou pretvaraa energije koji reagirana nizak referentni napon na potenciometru ili digitalnom ureaju za dekodiranjepoloaja smjetenom na osovini. Kod brodskih vijaka sa kontroliranim zakretanjemlopatica, referentna vrijednost na pretvarau je povezana sa kontrolom zakretanja

lopatica kako bi se optimizirala propulzija. Za sustave sa nepominim lopaticama,smjer rotacije motora se lako mjenja elektronski promjenjivim nizom frekvencija kojedjeluju na rad motora.

Koritenje mikroprocesora za kontrolu rada pretvaraa je u velikoj mjeri zamjenilokoritenje analognih krugova. Koritanje mikroprocesora omoguava neprekidan rad ikontrolu motora te pomou softvera izvrava brojne funkcije koje se ranije nije moglopostii. Npr., programi koje izvrava mikroprocesor mogu predvidjeti temperaturumotora pomou ulaznih podataka koji se uitavaju u matematiko termiki model

motora koji prua napredna upozorenja kada se moe oekivati pregrijavanje motora.Slina tehnika modeliranja se moe koristiti za predvianje upozorenja unaprijed za


26/37

- 2 6 -

ureaje koji rade sa elekrinom energijom unutar pretvaraa to poboljavapouzdanost opreme. Mikroprocesori se takoer koriste za izvoenjeautomatskepromjere te upozoravanje operatera ako se otkriju bilo kakve nepravilnosti. Velikinaglasak je stavljen na ugraenu dijagnostiku i softver za popravke koji omoguavaoperateru izvoenje svih aktivnsti popravaka osim onih najveih.

Toplina koja nastaje u elijama pretvaraa odvodi se pomou vodenog ili zranoghlaenja. Zrano hlaenje openito rezultira potrebom za veom opremom te stvaradodatno toplinsko optereenje za brodski sustav hlaenja i ventilacije (HVAC),meutim, veina pretvaraa se hladi unutarnjim ugraenim ventilatorima koji upuhujurashladni zrak preko poluvodikih ureaja. Vodeno hlaenje dozvoljava kompaktnijisklop opreme, meutim, potreban je zatvoreni primarni krug cirkulacije deioniziranevode u sklopu poluvodia te povezivanje vodenog izmjenjivaa sa brodskimsustavom rashladne vode. Protok, temperatura i provodljivost deionizirane vode u

sustavu se paljivo motre. Slika 11 je dijagram rashladnog sustava deionizirane vodekoji se koristi za sustav invertera optereenja. Povezivanje deionizirane vode iponora topline poluvodia mora biti izvedeno tako da osigura rad bez pojaveproputanja. Slika 12 predstavlja kontrolirani silicijev ispravljasa kabelima spojenimaza kontrolu ulaznog signala, koji se uobiajeno koristi u pretvaraima sustavabrodske propulzije. Slika 13 prikazuje zrano hlaen sklop ponora topline, dok jesklop hlaen vodom prikazan na slici 14.

Ciklopretvarai. Iako su ciklopretvarai (CCV) koriteni za pogon sinhronih motora od1930.-tih, nedavni razvoj ureaja za kontrolu elektrine energije, naroito kontrolnih

silicijskih ispravljaa, omoguio je da ciklopretvarai postanu atraktivna tehnologija zakontrolu rada motora brodske propulzije sa mogunostima podeavanja brzine.Odreeni broj ledolomaca i brodova za krstarenje je opremljen sa CCV pogonom zaglavnu propulziju.

Ciklopretvarai koriste kontrolne silicijske ispravljae (SCR) kao prekidae zapovezivanje terminala izmjeninih propulzijskih motora sa nizom faza konstantnefrekvencije izvora izmjenine struje, to dovodi do stvaranja pvlne ampitudepodesivog izmjeninog napona i niske frekvencije koju koristi motor za propulziju. Usvrhu ilustracije naina rada i valne amplitude CCV-a, prikazan je jednofazni CCV sa6 pulseva gdje svaki ima 3 faze, povezan u strujnom krugu, to se vidi na slici 15.Temeljna konfiguracija koristi jednosmjerni i reverzibilni provodni most kako bistvorila izlaznu valnu amplitudu za pozitivne i negativne dijelove. Tijekom rada,period provoenja svake elije je kontroliran na tkav nain da se izlazna valnaamplituda ponaa otprilike kao sinusoida. Temeljne komponente i izlazna valnaamplituda prikazani su na slici 16.

Kao posljedica ovakvog naina stvaranja izlazne valne amplitude, struja koja sepovlai iz svake ulazne faze se sastoji od neuniformnih i nesinkroniziranih segmenata

izlaznog strujnog vala. Znaenje ovoga je u tome to harmonina struja koju povlai


27/37

- 2 7 -

CCV nije vie jednostavna serija pojaanih harmonika nego spektar koji se pribliavakontinuiranoj funkciji kada se mjenja frekvancija kao i amplituda.

Slika 11. Dijagram sustava hlaenja deioniziranom rashladnom vodom za instalacijuinvertera sa promjenjivim optereenjem

Slika 12. Tipini kontroliralni silicijski ispravlja koji se koristi u pretvraima brodskogpogona

Slika 13. Kontroliran silicijski ispravlja sa zranim hlaenjem


28/37

- 2 8 -

Slika 14.Kontroliranisilicijskiispravlja sa zrano vodenim hlaenjem

Slika 16. Jednofazni cikopretvara valnog oblika izlaznog signala

Slika 17. Tipini pogonski sustav ciklopretvaraa za ledolomce

Posljedino tome, podeeni filteri, poput onih koji se koriste za poboljavanje snageistosmjernih motora, LCI i PWM pogonima, nisu uinkovit nain za izvoenje istih

funkcija kod CCV pogona. Izmjenjiva CCV frekvencije sa 12 pulseva koristidvostruki broj SCR elija kao krug sa 6 pulseva. Kao i u sluaju pretvaraa


29/37

- 2 9 -

istosmjerne u izmjeninu struju, poveani broj pulseva dovodi do smanjenjaharmonika amplituda kod izlaznog valnog oblika. Zbog toga CCV sa 12 pulsevaproizvodi manje harmonika nego pretvara sa 6 pulseva istog raspona. Trebaprimjetiti da, ovisno o kontrolnoj shemi koja se koristi za motrenje rada SCR, rasponharmonika amplitude te ulazni faktor pomaka mogu znaajno varirati.

Izlazna frekvencija i napon CCV-a se kontroliraju promjenim kutapri kojem SCRdozvoljava poetak provoenja. Kanjenjem provoenja, dogaa se kanjenjeizmeu trenutnog i ulaznog napona u sustavu. Ova karakteristika se naroito uoavau sustavima ledolomaca gdje je zbog prisutnosti leda potreban vei zakretni momentpri manjoj brzini vrtnje brodskog vijka koji se oituje na CCV-u kao jaka struja priniskom naponu. Istovremeni zahtjev za jakom strujom pri niskom naponu predstavljadodatne zahtjeve za pogonski sustav koji se nadoknauje skupljim i vei sustavomgeneratora. Meutim, sposobnost razvijanja velikog momenta kada je brzina skoro

jednaka nuli, nije bitna karakteristika za veinu brodova.

Kada se primjenjuje zajedno sa odgovarajuim kontrolnim sustavom, ciklopretvaraomoguava dinamine karakteristike istosmjernog motora time to poveava zakretnimoment osovine pri broju okretaja osovine od nule do 100% te moe brzo obrnutismjer vrtnje brodskog vijka. Slika 17 prikazuje sklop i raspone elektrine opreme natipinom ledolomcu sa CCV tipom statikog izmjenjivaa frekvencije. Transformatorise koriste izmeu glavnog terminala i ulaznog signala u pretvara struje kako biodgovarali 4160V generatoru napona 1200V koji zahtjeva konstrukcija CCV-a. Spojzvijezda i trokut na krilcima transformatora se koristi za fazni pomak izlaznog napona

kako bi se postiglo ponitavanje harmonika.

Trofazni ciklopretvarai se obino ugrauju u 2 oblika, ili kao 18 ili kao 36 tiristorskihprekidaa. Razlikuju se u faktoru snage koji zahtijeva sustav te u ulaznoj snazi tekarakteristikama pulzacije zakretnog momenta motora. CCV sa 12 pulseva i 36noica se primjenjuje na brodovima za krstarenje i proizvodi zadovoljavajuu valnuamplitudu do otprilike 20Hz.

Osnovni blok za sastavljanje CCV izmjenjivaa frekvencije je identian istosmjernimpretvaraima koji imaju provodne mostove za provoenje prema naprijed i

reverzibilno provoenje. To je prikazano na slici 15 za jednofazni CCV te na slici 18za kompletni CCV pogon sa 12 pulseva i 36 noica.

Ciklopretvarai koji se uobiajeno koriste za propulziju brodova pripadaju skupinipretvaraa frekvencije koji ovise o naponu napajanja pomou kojeg se struja prenosiiz jedne elije na drugu. Generator koji stvara ovaj napon i pripadajua reaktivnasnaga obiljeavaju CCV kao optereenje sa faktorom snage u rasponu izmeu 0.75 i0.85 pri punoj brzini motora, sa faktorom snage koji se smanjuje kako se smanjujebrzina. To dovodi do poveanja veliine generatora kojeg treba ugraditi. Meutim,motor ima koristi od radnog uinka CCV-a s obzirom da motor ne mora biti

konstruiran da bi napajao CCV. Faktor snage sinhronog motora se obino specificiracjelovita jedinica kada ga pokree CCV. Suprotno ovome, motor istog raspona snage


30/37

- 3 0 -

koji se koristi zajedno sa inverterom napona, treba biti konstruiran tako da ima faktorsnage 0.9.

Slika 18. Pogonski krug ciklopretvaraa sa 12 pulseva

Slika 19. Pretvara sa nizom provoenja i promjenjivim optereenjem


31/37

- 3 1 -

Pretvarai sa prijelaznim optereenjem. Osnovni strujni krug pretvaraa saprijelaznim optereenjem (LCI) se obino konstruira sa 2 pretvaraa pretvaraemna izvoru struje i pretvaraem optereenja kao to je prikazano na slici 9. Pretvarana izvoru dobiva ulaznu struju i pretvara je iz izmjenine u istosmjernu dok jepretvara optereenja zaduen za pretvaranje istosmjerne struje nazad u izmjeninukoritenu za propulziju. Indukcijski kabel za istosmjernu struju povezuje istosmjernuizlaznu struju izvora sa istosmjernim ulazom struje pretvaraa optereenja.Indukcijski kabel slui za pohranu energije i oslabljuje kolebanje izlaznogistosmjernog napona na izvoru pretvaraa te takoer omoguava izoliranje sustavanapajanja u sluaju pojave pulzacije okretnog momenta koje mogu potjecati izpropulzijskog motora ili mogu biti prenesene pomou sustava osovinskog voda.

Prijelaz struje sa faze na fazu u pretvarau optereenja ovisi o naponu napajanja(optereenju) sinkoniziranog motora propulzije pri radu na nazivnom faktoru snage.

Kada se radi u ovim uvjetima, kontrolirani silicijev ispravlja (SCR) provodi struju itijekom jedno potpunog elektrinog ciklusa LCI strujnog kruga, kao to je prikazanona slici 19. za konfiguraciju sa 6 pulseva. Podebljane linije prikazuju put struje zasvaku od 6 moguih kombinacija. Rezultirajua magnetska sila pokretanja predstavljarotaciju magnetskog polja unutar motora, to omoguava vrtnju osovine motora.Pojednostavljeni prikaz motora predstavlja jednu mehaniku vrtnju osovine za svakielektrini ciklus kod dvopolnog stroja. U praksi, motor e imati veliki broj polova.

Ispod otprilike 10% brzine, motor (optereenje) ne moe proizvesti dovoljno naponaza prijelaz istosmjerne struje u izmjeninu preko mosta invertera. Rad motora ispod

10% brzine se postie sintetiziranjem niskofrekventnog izmjeninog vala tako to seu nizu ukljuuju poluvodii pretvaraa struje te omoguavanjem prirodnog prijelazastruje. Ova shema omoguava neku vrstu karakteristike zakretnog momenta motorapri niskim brzinama. Meutim, akceleracija je ubrzana pri ovoj brzini zbog malogoptereenja momenta na brodskom vijku. Sofisticiraniji nain, koji se moe primjenitina pretvaraima sa 12 pulseva, je da 2 pretvaraa i 2 motora sa krilcima rade kaodvofazni CCV.Softver u LCI kontroleru moe automatski prebacivati naine rada saLCI na CCV, s obzirom kako to diktira mala brzina motora.

Motori za rad LCI obino imaju faktor snage 0.9 s obzirom da moraju omoguitiprijelaz energije za pretvara. Generatori moraju proizvesti reaktivnu energiju zaskupinu LCI pretvaraa koji takoer imaju faktor snage 0.9 pri punom optereenju.Odgovarajue tempiranje prijelaza kontrolira elektronoski regulator koji zapoinjeslijed dogaaja aljui energetski puls prema ulaznom terminalu dolaznog kontrolnogpretvaraa. Kako bi pomogli regulatoru u proraunavanju vremena potrebnog zapoetak slanja signala, informacije vezane uz poziciju rotora se dobivaju prekodekodera poloaja smjetenog na kraju osovine motora. Izlazni signal pretvaraaprijelaznog optereenja odreen je frekvencijom motora.


32/37

- 3 2 -

Slika 20. Naponski krug 12-pulsnog pretvaraa sa prijelaznimim optereenjem

Slika 21. Prekret brodskog vijka pomou pretvaraa sa prijelaznim optereenjem

Pretvarai prijelaznog optereenja za motore velikih snaga su obino konstruirani od12-pulsnih pretvaraa. Meutim, moe se sastaviti i krug od 18 ili 24 pulsakombincijom razliitih transformatora i pretvaraa, gdje je prednost smanjenjeharmonika amplitude zbog koritenja takve konfiguracije. Zahtijeva se koordinacija uradu motora i pretvaraa napajanja jer su krilca motora posebne konstrukcije i zbogtoga je potrebno vie spojeva sa terminalom nego kod konvencionalnih konstrukcija.Koristi se nekoliko razliitih konfiguracija strujnih krugova za sastavljanje 12-pulsnihpretvaraa. Slika 20 prikazuje jedan takav krug koji se moe primjeniti za brodskipogon velike snage. Kao to je prikazano, krug napajanja 12-pulsnog pretvaraa

koristi 2 6-pulsna pretvaraa koji se napajaju preko odvojenih transformatoraspojenih tako da stvaraju 2 izlazna napona pomaknuta za 30. Napon primjenjen najedan most preko trokut spoja ()i seta krilca je u fazi sa primarnim naponom dok jenapon u spoju zvijezda (Y) fazno pomaknut za 30. Nije potreban transformatorizlaznog napona, kao to je prikazano na slici 20. s obzirom da je motor konstruiranod 2 izolirana seta krilca, takoer odmaknutih za 30. Pogoni vieg reda sakrugovima od 18 ili 24 pulsa mogu biti konstruirani koritenjem razliitih kombinacijatransformera i pretvaraa. Kao i kod drugih pretvaraa napona, povean broj pulsevae smanjiti harmonike amplituda kod ulaznih i izlaznih valnih oblika, meutim, trebat

e i dodatna oprema.


33/37

- 3 3 -

Ukoliko se koriste podeeni filteri za smanjivanje razina harmonika u sustavimanapajanja, treba uzeti u obzir provedenu analizu kako bi se osigurali da nee doi dopojave neeljene rezonancije zbog modulacije napona na glavnom prikljuku zbogdjelovanja frekvencijskih smetnjikoje potjeu iz LCI ili iz sustava brodskog vijka.

LCI dozvoljava protok energije u oba smjera, prema ili od motora za propulziju.Tijekom prekreta motora sa fiksnim lopaticama, motor za propulziju nakratko generiranapon u sustavu izmjenine struje kako bi se usporio prije promjene smjerarotacije/prekretanja. Slika 21 prikazuje LCI koji ima 3 naina rada- prema naprijed,prema natrag i na mjestu kod brodskog vijka sa fiksnim lopaticama. Smjer vrtnjemotora se mjenja promjenom naina na koji pulsevi djeluju na pretvara optereenja.Zato je rad motora pri okretanju brodskog vijka unatrag odreen elektronskimregulatorom a ne mehanikim radom reverzibilnih prekidaa.

Oblik LCI statikih pretvaraa napajanja se koristi za brojne industrijske pogone ali zarijetke brodske pogone. Nadogradnja pogona broda Elizabeth 2kasnih 1980.-tih jeukljuivala LCI pretvaraa potrebne za brodsku propulziju. Pretvarai su se koristili zapokretanje i ubrzavanje glavnih motora na 72 rpm tijekom krstarenja sa malimzahtjevima snage i visoke uinkovitosti. Pri 72 rpm LCI izlazna frekvencija je 30Hz iomoguava snagu 5.5MW za pokretanje brodskog vijak sa podesivim lopaticama.Kada je potrebno vie snage, smanjen je kut lopatica i razvija se manji zakretnimoment te LCI pretvara dovodi motor do punog broja okretaja pri frekvenciji 60Hz.Kada se dosegne 114 rpm okretaja, motor se sinkronizira i otvara se LCI strujni krug.Jednom kada se povee sa glavnim prikljukom, kut lopatica se moe poveati kako

bi snaga sustava narasla na 44MW.

Pretvarai pulseva modulirane irine. Osnovni strujni krug pretvaraa pulsamodulirane irine (PWM) je slian LCI strujnom krugu zato to je sastavljen od 2pretvaraa: pretvaraa izvora napajanja i pretvaraa optereenja. PWM se razlikujeod LCI zbog sposobnosti da most za prijenos optereenja moe iskljuiti strujumotora tijekom bilokojeg dijela izmjeninog strujnog vala. Iskljuivanje struje motorase postie ili sputanjem jaine struje na nulu koritenjem vanjskog ureaja zapohranu ili koritenjem pretvaraa kao to je tiristor za iskljuivanje ulaza (GTO) kojiima mogunost promjene smjera toka struje. Slika 10 prikazuje osnovni strujni krugPWM pretvaraa koritenjem GTO tiristora.

Pretvara izvora napajanja je spojen sa kabelom dolazne struje kako bi pretvorioizmjeninu struju natrag u istosmjernu za koritenje kod motora za propulziju.Istosmjerni kapacitator pomae odrati stalan istosmjerni napon na ulazu u pretvaraoptereenja. Temeljne komponente izmjeninog valnog oblika napona nastajuukljuivanjem i iskljuivanjem GTO kako bi nastali pulsevi varijabilne irine signalakao to je prikazano na slici 10. Odgovarajue tempiranje pulseva je pod kontrolomelektronskog regulatora, koji zapoinje provoditi struju djelovanjem pozitivnog pulsa

ulazne struje a kontrole se iskljuuju djelovanjem pulsa negativne struje na ulaz.Obiljeje pretvaraa pulsa modulirane irine je relativno visok faktor snage koji se


34/37

- 3 4 -

pribliava vrijednosti 0.9 u usporedbi sa LCI i CCV pretvaraima koji su u rasponu od0.75 do 0.85. Faktori snage u sustavu mogu smanjiti potrebu za konstrukcijomgeneratora koja e imati posebne raspone snage. Snaga za regeneriranje koja dolaziod motora za propulziju kada brodski vijak radi sa prekrenutim lopaticama e podiinapon istosmjernog kapacitatora zato to energija ne moe otii natrag u izmjeninisustav. Postavlja se zahtjev za smanjenjem ovakve energije pomou otpornika ilipostavljenjm 2 pretvaraa izvora napajanja sa mogunosti provoenja struje usuprotnom smjeru. Smjer vrtnje motora se mjenja promjenim niza djelovanja ulaznihpulseva na pretvara optereenja. Zato je rad motora za okretanje brodskog vijakunatrag odreen pomou elektronskog regulatora a ne mehanikim radom, tj.koritenjem reverzibilnih prekidaa.

PWM statiki pretvarai se koriste u primjeni na brojnim sporohodnim isrednjehodnim industrijskim pogonima ali i u rijetkim brodskim pogonima. Meutim, u

nekim sustavima se koriste brzohodni indukcijski motori pokretani preko reduktora zapropulziju. PWM pretvarai se koriste u pogonima kod kojih je upotreba brzohodnihindukcijskih motora prednost zbog niih trokova i rjeih servisa. Zapaena primjenaPWM pretvaraa je bila na brodu za polaganje cijevi Lorelay koji je imao 7 PWMindukcijskih motora podesive brzine za pokretanje brodskog vijka i bonih vijaka.

3.3. Motori koji za pogon koristi izmjeninu struju

Sustav izolacije i hlaenja koji se koristi kod motora koji koriste ili ciklopretvarae ili

pretvae prijelaznog optereenja zahtijevaju posebnu panju kako bi se osiguraoneprekinuti rad u sluaju porasta temperature. Motori imaju oienje i uzbudu kojustvaraju klizni prsteni ili etkice uzbudnika. Uzbudnici bez etkica trebaju bitikonstruirani tako da sa energije za uzbudu moe dovesti tijekom irokog rasponabrzina vrtnje motora, ukljuujui nultu brzinu. Oprema za uzbudu ima redundanciju iostale karakteristike potrebne za osigurati neprekinuti dotok energije s obzirom navanost odravanja snage propulzije pod kontrolom.

Indukcijski motori se ne koriste esto zbog prednosti koje imaju sinhroni strojevi urasponu visokih snaga tipinih za postrojenja brodske propulzije. Faktor snage

potreban za konstrukciju izmjeninog sinhronog motora je odreen tipom pretvaraanapajanja. Pretvarai prijelaznog optereenja zahtijevaju motore koji mogu razvitifaktor snage dovoljno visok za stvaranje napona prijelaznog optereenja pretvaraa.Takvi motori imaju faktor snage 0.9. Svrha faktora snage 0.9 na konstrukciju motoraje poveati jainu struje sa kojom motor radi, to dovodi do poveanja veliine motorau usporedbi sa faktorom snage 1.0 za strojeve iste frekvencije rada i nazivne snage.Ciklopretvarai i pretvarai pulsa modulirane irinene ovise o naponu motora kako bipostigli optereenje motora i konstruirani su za faktor snage 1.0.


35/37

- 3 5 -

Brzina motora i frekvencija su povezani preko formule:

=120

Gdje je:

n brzina motora, rpm (okr/min)

f frekvencija, Hz

p broj polova motora (pomnoeno sa 2)

Zbog toga to izlazna frekvencija CCV-a ima gornju granicu od 20Hz zbogfrekvencije sustava 60Hz, motori koji koriste CCV imaju direktni pogon. Motori kojikoriste LCI su konstruirani za rad pri frekvencijama 40-60 Hz, i mogu imati direktni

pogon ili pogon preko reduktora. Slika 22 prikazuje pribline dimenzije konstrukcijemotora sa jednostrukim oienjem koji se moe koristiti sa CCV pretvaraima. Motorisa CCV pretvaraima rade na frekvenciji 20Hz i nie, dok motori sa LCI pretvaraimarade na frekvenciji 40Hz i vie, stoga dimanzije motora variraju za istu snagu i istibroj okretaja. Slika 22 takoer prikazuje pribline dimenzije motora sa jednimoienjem, 100 rpm i 40Hz koji mogu koristiti LCI pretvarae napajanja.

Brzohodni motori koji pokreu osovinu brodskog vijka mogu takoer koristiti LCIpretvarae te imaju odreene prednosti po pitanju troka i teine. Slika 23 prikazujepribline dimenzije konvencionalnog pogona reduktora i motora. Kombinirana duljina

motora i reduktora je dua nego kod motora sa direktnim pogonom, meutim uedimanzije opreme i manja teina mogu biti prednost kod odreenih brodskih pogona.

Mogue je smjestiti glavni leaj za propulziju unutar leajnog kuita izmjeninogmotora, ali vei promjer motora sa direktnim pogonom vee konjske snage moesmanjiti krutost leajnih temelja koji pomau pri prijenosu okretnog momenta osovinena strukturu broda.Iz tog razloga, glavni leaj se esto smjeta na krmenom dijelumotora. Leajni blok i motor imaju sline zahtjeve za podmazivanjem i mogu koristitiulje iz istog sustava podmazivanja. Sa pozicije minimalnog troka i teine, motore sa

jednostrukim oienjem treba korisitit gdje god to doputaju dimenzije prostorastrojarnice. Meutim, motori sa dvostrukim oienjem se mogu koristiti gdje postojiogranienje po pitanju dimenzija promjera ili gdje se smatra poeljnom poveenapouzdanost koju osiguravaju dvije odvojene ekektrine jedinice.


36/37

- 3 6 -

Slika 22. Pribline dimenzije i teine motora za propulziju u sustavu saciklopretvaraem i pretvaraem prijelaznog optereenja

Slika 23. Pribline dimenzije i teine konvencionalnog motorasa reduktorom za

propulziju u sustavu sa pretvaraem prijelaznog optereenja


37/37

- 3 7 -

Rijetki su kvarovi otkazivanja tiristorskih elija. Kada se dogodi otkazivanje, elijaskoro uvijek otkae u skraenom nainu rada. Posljedino, brojni izmjeninipretvarai su konstruirani tako da imaju redundantne tiristorske elije povezane useriju kako bi se nastavio neometan rad pri punom optereenju, ak i u sluajugubitka jedne elije.

Zbog fizike konstrukcije vodia, elektrini kvarovi kabela ili krilca motora su poprirodi jednofazni, to stvara pulzacije okretnog momenta pri dvostrukoj radnojfrekvenciji motora. Vrijeme tijekom kojeg je osovinski sustav pod utjecajem uzbudenastale zbog okretno momenta moe biti nekoliko sekundi ovisno o vremenskomperiodu koji treba zatitnom sustavu da otkrije i ukloni kvar.

Zbog toga to motor moe raditi u irokom rasponu frekvencija, kvarovi pri nekimradnim frekvencijama mogu uzrokovati pulzacije momenta ije frekvencije mogu doiu pojaanu mehaniku rezonanciju izmeu motora i brodskog vijka preko osovinskogvoda. To zahtijeva paljivu analizu elektromehanikog sustava kako bi se osiguralaodgovarajua konstrukcija osovinskog voda. Automatskim programiranjem uzbudemotora se prethodno opisano djelovanje moe ublaiti pri radu u rasponu kritinihbrzina, pomou spojke izmeu motora i osovinskog voda te izbjegavanjemkontinuiranog rada u rasponu kritinih brzina vrtnje motora ili kombinacijom sveganavedenog.

Documents

Brozović Dario Električna Propulzija