Studiul Tehnic Al Sistemelor de Propulsie Electrica Navala

Studiul tehnico-economic al sistemului de propulsie cu cicloconvertoare

1. Avantajele utilizrii propulsiei electrice

Propulsia electric nu este un concept nou, ideea a aprut acum 100 de ani. Totui, odat cu apariia posibilitii de a controla viteza motorului electric - construit la diferite puteri i constituind o soluie fiabil, compact i puin costisitoare, folosirea propulsiei electrice a acaparat noi domenii de aplicaie n anii `80 i `90. Propulsia electric cu turbin de abur sau motoarele diesel sunt folosite la sute de nave de diferite tipuri. Puterea propulsoarelor electrice la navele comerciale n 2002 era cuprins ntre 6-7 GW.

Prin introducerea propulsoarelor azimutale i propulsoarele POD (propulsoarele in duze), necesitatea configurrii propulsiei pentru transport, manevrare i meninere a drumului a fost necesar pentru a optimiza unitile de propulsie pentru transport, manevr i poziionarea dinamic.

n prezent, propulsia electric se aplic n principal la urmtoarele tipuri de nave : navele de croazier, feriboturi, navele de forare marin, tancuri electrice, navele ce transport ieiul de la platformele petroliere, navele ce se ocup cu instalarea de conducte sau cabluri submarine, vasele de aprovizionare i navele militare. O cercetare semnificativ se desfoar n domeniul acestui tip de propulsie pentru mbuntire i adaptarea la noile tipuri de nave.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Fig. 4.1 Trei concepte de comparaie la o nav tip Ropax, artnd cum poate fi mai bine utilizat spaiul folosind propulsia electric i sistemul POD.


Urmtoarele caracteristici pun n valoare principalele avantajele ale propulsiei electrice pentru aceste tipuri de nave :

Crete durata de exploatare, diminund consumul de combustibil i lucrrile de ntreinere, mai ales atunci cnd exist o mare variaie n greutatea ncrcturilor. De exemplu, la navele cu poziionare dinamic, profilul operaional se mparte n mod egal ntre tranzitul de mrfuri i operaiuni de ntreinere/manevrare n porturi.

Reducere a vulnerabilitii la defeciuni n sistem i posibilitatea de optimizare a sistemului de propulsie principal ( motorul diesel sau turbina de aburi )

Reducerea greutii motorului diesel pentru viteze medii sau mari Spaiul mic ce l ocup sistemul de propulsie duce la creterea sarcinii utile a navei, dup cum arat i fig. 4.1 Flexibilitate n alegerea locului de amplasare a instalaiilor propulsorului deoarece acesta poate primi energie electric prin cabluri Manevrabilitatea este mbuntit prin utilizarea propulsoarelor azimutale sau podded propulsion Zgomotul i vibraiile sunt reduse datorit faptului c arborele rotativ este mai mic, motoarele principale merg la o vitez constant, iar prin

folosirea elicelor de suciune se reduce efectul de cavitaie curgerii uniforme a apei sub nav Acest sistem are si unele dezavantaje, cum ar fi: Costul investiiilor este mai mare. Cu toate acestea, chestiunea este de revzut, deoarece costul tinde s scad odat cu creterea numrului de

uniti fabricate Componentele adiionale (echipamentele electrice: generatoarele, transformatoarele ,motoarele electrice, conductorii) care fac legtura dintre

motorul principal i propulsor, cresc pierderile de transmisie cnd nava este la plin ncrctur Pentru exploatatorii neexperimentai, noile tipuri de echipamente necesit moduri diferite de operare i ntreinere Valabilitatea puterii, propulsiei i instalaiilor propulsorului, precum i meninerea sistemelor automatizate i a siguranei echipajului, sunt

factorii cheie pentru obinerea timpului maxim de operare a navei. Figura 4.3 arat eficiena folosirii combustibilului pe un motor diesel de vitez medie, i o comparaie putere versus traciune la elicea CPP si elicea (FPP).

Pierderile hidrodinamice vor varia semnificativ n funcie de condiiile de operare pentru o elice cu pas constant folosit la motoarele diesel n comparaie cu o elice de pas variabil, folosite n general la propulsiile electrice. n condiii de traciune redus, este clar c pierderile hidrodinamice ale elicei cu pas constant sunt de aproximativ 15%, n timp ce pentru elicea cu pas variabil sunt aproape nule (vezi fig. 1.3(b) ). De remarcat este faptul c n majoritatea configuraiilor CPP, viteza elicei trebuie inut constant i la turatii destul de mari . Avantajul unei elice cu pas constant este c permite o gam mai mare de vitez.


O elice conceput pentru treceri rapide de la o vitez la alta, va avea eficien redus la viteze sczute i vice versa. De aici i profilul operaional este de o importan major la conceperea sistemului de propulsie. Caracteristicile eficienei combustibilului motorului diesel, la solicitare maxim pe sarcini cuprinse ntre 60 i 100 %, contribuie din plin la diferenierea n consumul de putere pentru un sistem mecanic de propulsie tradiional, i un sistem de propulsie diesel electric.

La un generator electric al unui sistem de propulsie diesel electric, generarea de energie const din operarea mai multor motoare diesel mai mici unde numrul de agregate n micare poate fi selectat pentru a avea o sarcin optim pe fiecare motor. Clasificarea motoarelor poate fi de asemenea adaptat profilului operaional al navei, asigurnd c este posibil gsirea unei configuraii optime pentru majoritatea modurilor de operare i timp.

Fig. 3

(a) consumul de combustibil specific motorului diesel

(b) caracteristici ale puterii propulsoarelor la cererea de sarcin

Pentru o nav auxiliar, cu profilul operaional descris n figura 1.4, s-a observat c economia de combustibil odat cu folosirea propulsiei diesel-electrice este de aproximativ 700 de tone pe an. Cu un pre de aproximativ 40 de ceni pe litru, rezult c se economisesc cam 280000 de dolari pe an. Dup cum se arat, economiile de combustibili sunt strns legate de profilul operaional, ca n fig. 1.4(b). Aici, profilul operaional este mprit ntre poziionare dinamic/manevre i tranzit, demonstrnd cum o cretere a operaiunilor de poziionare dinamic vor duce la o cretere a economiilor i vice versa.


Fig. 4.4: (a): profilul operaional al unei nave de suport logistic

Fig. 4.4 (b): consumul de combustibil pentru propulsia electric (Azipod) i propulsia mecanic convenional


4. Aplicaiile propulsoarelor electrice la diferite tipuri de nave

4.1. Navele de pasageri: nave de croazier i feriboturi

Navele de pasageri, navele de croazier i feriboturile sunt nevoite s ia msuri n vederea reducerii zgomotelor motoarelor i vibraiilor pentru a oferi confortul necesar pasagerilor. Pe lng acestea, fiabilitatea i accesibilitatea sunt eseniale pentru sigurana pasagerilor i a navei. n


consecin, propulsia electric a fost din timp evaluat ca fiind benefic. Lista cu navele de croazier care folosesc acest tip de propulsie este lung i n continu cretere. Dup avantajele prezentate de propulsia pe aripioare, care dau mbuntiri semnificative manevrabilitii i economisirii combustibilului, prin creterea eficienei propulsiei cu 10%, o mare parte din noile construcii sunt dotate cu propulsie electric.

Pe msur ce cresc restrictiile privind protecia mediului: cerinele de reducere a emisiilor de gaze, a polurii apelor i distrugerilor recifurilor de corali prin ancorare, navele i pot menine poziia doar prin controlul propulsiei printr-un sistem de poziionare dinamic. Aceasta va crete cerina de sisteme de propulsie electric, iar pe piaa navelor croaziere, inclusiv dotarea cu propulsoare pe aripioare. Aceleai restricii i penalizri pentru emisiile de gaze ( COx, NOx i SOx) au dus la construcia noilor feriboturi de traversare a fiordurilor i strmtorilor, echipate cu sistemul electric de propulsie. Odat cu creterea frecvenei de operare a navei n porturi, adic locuri unde nava manevreaz greu prin traversarea de spaii nguste i manevrele de acostare la cheu, mbuntirea manevrabilitii prin sistemul podded propulsion, a redus semnificativ consumul de combustibil. Puterea de propulsie variaz cu dimensiunile navei, de la civa megawai pentru feriboturile mici, la 30-40 MW pentru navele linie de croazier. Sarcina net necesar, joac un rol important pentru stabilirea puterii totale a instalaiei, pentru o nav linie de croazier, sarcina variaz ntre 10- 15 MW.

4.2 Exploatarea ieiului i a gazelor naturale: uniti de forare, nave de prelucrare i tancuri

Acum civa ani, resurse nsemnate de petrol i gaze erau accesibile n ape puin adnci, unde puteau fi exploatate prin platforme petroliere fixe. n Marea Nordului, Golful Mexic i n Brazilia, aceste resurse erau gsite n cantiti mai puin nsemnate i la adncimi mult mai mari sau n locuri mai puin accesibile.

Aceste cmpuri petroliere necesitau noi metode efective de exploatare, la costuri acceptabile. Forarea la mare adncime a devenit posibil odat cu introducerea poziionrii dinamice i amararea folosindu-se doar propulsorul. Meninerea poziiei cu asistarea propulsorului se aplic n Marea Nordului, Canada i n zone cu condiii aspre. n Brazilia, Africa de Vest i n Golful Mexic, nu este folosit aceast strategie pentru foratul la mare adncime. Centrala energetic care alimenteaz propulsoarele care folosesc la meninerea dinamic a poziiei, constituie principala form de alimentare cu energie a restului de uniti necesare produciei.

Tipice pentru acest tip de nave sunt propulsoarele de mare putere 20-50 MW. mpreun cu producia, forajul i alte utiliti, puterea ajunge la valori ntre 25-55MW. Instalaia are o central energetic comun pentru toate aceste sarcini, rezultnd o flexibilitate sporit a operaiilor. Fig. 2.2 prezint schema unei platforme de foraj semisubmersibile. Tancuri speciale sunt folosite pentru transportul petrolului de la o platform marin, la terminale de la uscat care proceseaz materia prim sau o stocheaz.


Exist numeroase metode de ncrcare care sunt folosite pentru aceste tancuri. Pentru majoritatea metodelor, tancurile trebuie s menin o poziie fix, cu mare precizie, indiferent de condiiile nconjurtoare. De aceea, majoritatea tancurilor sunt dotate cu un sistem de poziionare

dinamic.

Fig. 4.2 Un exemplu de sistem electric cu care este dotat o platform de forare semi submersibil

4.3 Nave de asisten i nave de construcii n larg

Pentru navele ce beneficiaz de poziionare dinamic ca principal mod de operare, cum sunt nave de asisten pentru scafandri, nave-macara, nave care se ocup cu instalarea de cabluri sau evi submarine, propulsia electric a fost luat n folosin din timp, mai nti cu sistemul de elice cu pas constant, iar apoi cu cel cu pas variabil.

Reducerile consumului de combustibil i emisiilor de gaze folosind sistemul diesel electric de propulsie, n dauna sistemului mecanic de propulsie, sunt semnificative pentru navele cu profil operaional diversificat. Economisiri de 30-40% anual a combustibilului au fost raportate de ctre armatori, iar cu un mai mare accent pe costul operrilor i pe impactul asupra mediului a industriei petrolului, s-a ajuns la o cretere a numrului navelor de suport, mai nti n Marea Nordului, i mai apoi n alte zone geografice.


Fig. 4.3 Nav de bunkerare cu propulsie electric

Fig. 4.4 Nave destinate construciilor n larg


Odat cu creterile cerinelor pentru o comunicare rapid, era necesar o reea de fibra optic mondial, astfel incat a aprut o mare flot de nave instalatoare de cablu submarin, navele beneficiind de propulsia electric i poziionare dinamic. Aceste nave au fost configurate ca nave cu poziionare dinamic, clasa 2 sau 3 (Dn V, Lloyds i ABS), majoritatea au propulsie electric cu o putere maxim de 8-30 MW, depinznd de mrimea navei i a capacitii de forare/ridicare a acesteia.

4.4. Alte tipuri de nave

Dragoare i nave de construcii

Propulsia diesel electric i sistemele de meninere a poziiei sunt de asemenea folosite pentru navele ce opereaz n ape mai puin adnci, cum sunt navele dragoare i navele de construcii, etc. Manevrabilitatea mbuntit i economia de combustibil, mpreun cu nevoia de schimbare a spaiului de lucru, sunt criterii benefice ale navelor cu sistem electric de propulsie.

Iahturile i vasele de agrement

Propulsia electric se mai aplic i pe piaa de yachting. Confortul i mediul prietenos sunt elemente eseniale n conceperea acestor nave,astfel se folosete propulsia electric datorit eficienei ridicate i diminurii vibraiilor i zgomotelor. Puterea de care dispun aceste nave este cuprins ntre 500 i 2000 KW.

Sprgtoarele de ghea

La sprgtoarele de ghea, variaiile cerinelor de sarcin pot varia semnificativ i rapid, aceasta impune ca sistemul de propulsie s dispun de performane dinamice ridicate, pentru a nu suprasolicita componentele. Propulsia electric este folosit n majoritatea navelor nou construite nc din anii `80. Puterea instalaiilor de propulsie variaz ntre 5 i 55 MW, depinznd de capacitatea sprgtorului de ghea.


Fig. 4.5 M/S Botnica sprgtor de ghea care este folosit drept nava de aprovizionare n timpul verii, echipat cu propulsor Azipod

Nave de cercetare

Navele de cercetare, navele oceanografice, navele cercetare n domeniul pescuitului au n comun reguli foarte stricte de diminuare a zgomotului produs de motoare, n general cteva zeci de decibeli mai puin dect la alte aplicaii. Aceste reguli au fost ntocmite folosind propulsia direct prin

motoare de curent continuu, i prin metode complexe de reducere a vibraiilor i a variaiilor de putere. Prin folosirea convertoarelor moderne de frecven i prin anumite tehnici de filtrare, i noile concepte de motoare pe curent alternativ pot ndeplini cerinele, nave construite recent fiind dotate cu aceste motoare.

Aplicaii recente

Propulsia electric se afl n continu investigaie i evaluri pentru aplicarea pe noi concepte.

Fig. 4.7. Noua pia a construciei de nave. Propulsia electric domin sectoarele construciilor: instalatoarele de cabluri i evi submarine, sprgtoare de ghea, nave de pasageri.


4.5. Caracteristici generale ale sistemului electric de propulsie

4.5.1 Vedere general

Principala diferen ntre sistemele electrice marine i cele aflate la uscat sunt c sistemele electrice marine constituie un sistem izolat cu o distan mica ntre generator i consumator, pe cnd sistemele aflate pe uscat pot avea consumatorul la distan de sute de kilometri de centrala de energetie, fiind conectate prin linii lungi de transmisie i un numr de transformatoare. Valoare puterii instalate la nave poate fi foarte ridicat, nsemnnd o adevrat provocare pentru ntreinerea acestui sistem. Nivelul ridicat al sarcinii impune o operare n condiii bune de siguran. Controlul sistemului electric de la uscat este mprit n cteva subsisteme separate, pe cnd la nave exist posibilitatea unei integrri mult mai din scurt fiind i mai uor de coordonat.

Construcia sistemelor de alimentare, propulsie i de control pentru o nav a suferit modificri nsemnate i modernizri de-a lungul unei perioade relativ recente de timp. Datorit capabilitii de expansiune rapid a computerelor, microprocesoarelor i reelelor de comunicaii, integrarea sistemelor care erau separate n mod tradiional, nu numai c este posibil, dar devenind rapid standardul industriei.

Cererea, n continu cretere, a propulsiei suplimentare i a navelor cu poziionare dinamic din clasele 2 i 3, necesit o redundan a sistemului printr-o separare fizic. Interconectrile diferitelor sisteme pe o nav au devenit din ce n ce mai complexe, fcnd din conceperea, ingineria i construcia vasului, un efort integrat.

Fig. 4.1. arat schematica sistemului energetic principal al unei nave cu propulsie electric, vzut ntr-o diagram SLD. Acest capitol descrie principalele componente, dup cum sunt aplicate la o instalaie electric marin:

Generarea de energie electric Distribuirea energiei electrice Propulsoarele de vitez variabil Unitile de propulsie


fig. 4.1: Schema unei nave cu sistem electric de propulsie ncapsulat;

G1-G4: generatoare, SWBD:switchboard-tablou de distributie, TRANSF: transformator, BT : propulsor prova,

AZ THR: propulsor azimutal, AZIPOD: propulsor ncapsulat


4.5.2. Producerea energiei electrice

Propulsor principal

Sursa puterii este de cele mai multe ori un generator pus n micare de un motor cu combustie care este alimentat cu un combustibil diesel. Motoarele pe gaz, de asemenea turbine de gaz, turbine pe aburi, sau combinate, se pot ntlni ocazional mai ales acolo unde sunt necesare valori mari ale energiei generate, la nave uoare de vitez mare, sau acolo unde gazul este o alternativ mai ieftin.

La un sistem de propulsie diesel electric, motoarele diesel sunt de regul motoare de vitez medie sau foarte mare, cu greutate redus i cost mai mic, care sunt similare motoarelor de viteza mic folosite la propulsia mecanic direct. Accesul uor la centrala electric este de o foarte mare importan, ntr-un sistem diesel electric cu un anumit numr de motoare diesel aflate ntr-o reea separat, nsemnnd o fiabilitate ridicat, dar i un sistem sofisticat de diagnosticare i timpi scuri de reparaii. Motoarele cu combustie intern sunt n continu dezvoltare pentru eficien mai mare i pentru emisii de gaze mai reduse, n prezent un motor diesel de vitez medie are un consum de combustibil de mai puin de 200 g / 1 KW produs n condiii de operare ideale dup cum se observ n fig. 3.2 a). Chiar dac se presupune c este utilizat un combustibil foarte eficient, aceasta reprezint doar 40% din energia dat de combustibil, restul fiind disipat prin evacuare sau prin cedare de cldur. Mai mult dect att, eficiena scade rapid cu ct sarcina ajunge la valori mai mici de 50% din MCR ( sarcina nominal n regim nentrerupt ). n aceste condiii, combustia este ineficient, cu coninut ridicat de NOx i SOx i de fum, care cresc nevoia de ntreinere.

ntr-un sistem diesel electric cu cteva motoare diesel n componen, se urmrete meninerea acestor motoare la condiii optime de operare prin pornirea i oprirea alternativ a generatoarelor, n funcie de sarcin; dup cum se observ i n figura 3.2 b), se urmrete meninerea unei sarcini medii pe fiecare dintre motoarele diesel, aproape de sarcina optim a motorului.


Fig. 4.2 a) eficiena total de la motor la elice pentru un sistem mecanic direct de propulsie i pentru un sistem electric de propulsie cu patru motoare diesel

Fig. 4.2 b) exemplu de consum de combustibil pentru un motor diesel de vitez medie

Generatoarele

Majoritatea navelor noi au un generator de curent alternativ (sincrone) cu distribuie prin curent alternativ. Generatoarele sunt maini sincrone, cu exciatatia pe rotor care este strbtut de curent continuu, i un stator cu infasurare indusa trifazata.

Frecvena f[Hz] tensiunii la borne este proporional cu viteza de rotaie- n [RPM] i cu numrul perechilor de poli din maina sincron:

f=p*n/60;

Un generator cu 2 poli (p=1) va produce 60 HZ la 3600 rpm, unul cu 4 poli la 1800 rpm, iar unul cu 6 poli la 1200 rpm, etc. 50Hz se obin la 3000 rpm, 1500 rpm i 1000 rpm pentru un generator cu doi, patru i respectiv ase poli. Alimentarea infasurarii de excitatie se face prin perii (brush)


i inelele colectoare. Generatoarele moderne nu au excitaie prin perii, pentru a se reduce timpul de ntreinere (fig.3.3.). Aceste sisteme se realizeaza prin maina sincron in constructie inversata.


Fig. 4.3 Circuit de excitatie static fara perii

Excitatia este controlat de un stabilizator de tensiune (Automatic Voltage Regulation), care analizeaz curentul la borne al generatorului i l compar cu valoarea de referin. Simplificat, controlerul are caracteristici PID, cu efect de integrare staionar limitat, care d o cdere de tensiune funcie de sarcina de pe generator. Cderea de tensiune asigur distribuia n mod egal al puterii reactive pentru generatoarele legate n paralel. Dup cele mai aplicate reguli, variaia tensiunii staionare la bornele generatoarelor nu va depi 2,5% din tensiunea nominal. De asemenea, cel mai ridicat curent tranzitoriu nu trebuie s dea o variaie de tensiune depind -15% sau +20% din tensiunea nominal, dect dac se specific n mod expres de ctre designer. Pentru obinerea acestei cerine tranzitorii, stabilizatorul de tensiune este n mod normal echipat cu o funcie de comand bazat pe msurarea tensiunii. Pe lng nfurarea de exciatatie, rotorul mai este echipat i cu o nfurare de amortizare, care este alctuit din bare de cupru axiale trecute prin exteriorul polilor rotorului i scurtcircuitate cu un inel de cupru la fiecare capt. Principalul scop al acestei nfurri este de a introduce o amortizare a socului dinamic de tip electromagnetic la care este supusa infasurarea.


O main sincron fr nfurare de amortizare va prezenta o mare variaie a frecvenei i a distribuia sarcinii, pentru orice variaie de tensiune. Modelele staionare tranzitorii i subtranzitorii sunt cunoscute din teoria mainilor sincrone.

4.5.3. Distribuia puterii electrice

Tablourile de comand

Tablourile principale sunt de obicei distribuite sau mprite n dou, trei, sau patru seciuni, pentru a obine redundana necesar navei. Dup legile sau regulile care se aplic pentru propulsia electric, se va tolera cderea unei seciuni, de exemplu din cauza unui scurtcircuit. Pentru cele mai stricte reguli de vitalitate de la nav, se va tolera cderea de tensiune din cauza incendiului sau inundrii, nsemnnd c distribuitorii vor fi ignifugi i etani. ntr-o configuraie dubl, avnd capacitile i sarcinile generatorului mprite n mod egal la borne, cderea de voltaj va duce la o pierdere de 50% din capacitatea i sarcina generatorului. Pentru a se evita costul ridicat al instalaiei, sistemul va fi mprit n 3 sau 4, pentru a nu se cere i alte instalaii adiionale. De asemenea invertoarele, care asigur c un generator sau o sarcin pot fi conectate cu dou seciuni din panoul electric, pot fi considerate soluii de reducere a costurilor instalaiilor.

n timpul marului, tablourile de comand sunt de regul conectate ntre ele, aceasta nsemnnd cea mai bun flexibilitate din configuraia centralei electrice. Tranzistorii sunt distribuii n numr mare pe generatorul diesel, i un numr optim de uniti pot fi conectate la reea. n acest caz nava se consider a fi protejat n totalitate de blackout. n acest mod de operare, o reea, inclusiv unitile propulsoare, este deconectat dac o seciune din tabloul de comand cedeaz, celelalte rmnnd operabile. n practic, exist mai multe consideraii care pot fi luate n calcul pentru a obine aceast flexibilitate, n special legat de sistemele auxiliare, cum sunt lubrifierea, sistemul de rcire i ventilaie, care se urmrete a fi sisteme independente. De asemenea, pierderea propulsiei va avea impact asupra sistemelor rmase, dup cum puterea total sau sarcina tind s rmn la fel.

Modul de operare normal pentru navele cu poziionare dinamic, n special cele de clas 3, este de a divide reeaua pentru a face fa la cderea unei seciuni. Cu toate acestea, regulamentele nu accept reele interconectate pentru navele de clas 3. Pe msur ce puterea instalat crete, tensiunea nominal i curenii de scurt circuit cresc. Cu limitrile fizice ale barelor colectoare, funcie de rezistena la cldur i stres mecanic i capacitatea de schimbare a controlerului, va fi avantajos sau necesar s se mreasc tensiunea.

Folosind controlerul de tensiune, urmtoarele tensiuni alternative sunt cele mai selectate pentru sistemul principal de distribuie:

- 11kV: generare i distribuie medie de tensiune. Se poate folosi cnd capacitatea total instalat a generatorului depete 20 MW, motorul s aib o putere de 400 KW sau mai mare


- 6.6kV: generare i distribuie medie de tensiune. Se poate folosi cnd capacitatea total instalat a generatorului este ntre 4 i 20 MW, motorul are o putere de 300 KW sau mai mare

- 690 V: generare i distribuie mic de tensiune. Se poate folosi cnd capacitatea total instalat a generatorului este sub valoarea de 4 MW, consumatorii sub 400 KW

- tensiune sczut pentru utiliti

Cteva observaii de luat n considerare:

- La nave, motoarele de tensiune mic (690 V) sunt folosite la puteri mult mai mari de 300 KW. n fiecare caz, se vor lua n calcul curentul de sarcin i caracteristicile de pornire ale transmisiei;

- Tensiunea de 440V distribuia este destul de ntlnit la instalaiile navale; echipamentele naval au in general tensiunea nominala 440V, ceea ce nseamn c va fi dificil s se ocoleasc aceast tensiune n aplicaiile navei. n SUA sunt cunoscute si alte valori ale tensiunii: 120V, 208V, 230V, 380V, 450V, 480V, 600V, 3400V, 3300V, 4160V, 6600V, 11000V i 13800V.

Transformatoarele

Rolul transformatorului este de a izola diferitele pri ale sistemului de distribuie n cteva partiii, n mod normal pentru a obine diferite nivele de tensiune. Transformatoarele au de asemenea un efect de atenuare a zgomotului emis de efectul trecerii frecvenei ridicare prin conductoare. Din punct de vedere fizic, transformatorul este construit n mod normal ca o unitate trifazat, cu o bobin primar trifazat i o bobin secundar trifazat n jurul unui tor magnetic. Bobinajul din interior constituie bobinajul secundar, cu tensiune sczut, cel primar este bobinajul exterior care este traversat de o tensiune ridicat. Raportul dintre bobinajul primar i cel secundar nseamn raportul de transformare. Bobinele pot fi conectate n montaj stea sau triunghi. Conexiunea poate fi diferit la prile primare i secundare, i la aceste transformatoare, nu numai amperajul va fi convertit, dar va fi introdus de asemenea i un defazaj ntre tensiunea primar i cea secundar. Trei sau patru bobinaje ntr-un transformator cu multiple bobinaje secundare sunt de asemenea n folosin. Un transformator cu montaje n triunghi la conexiunea principal i n stea la cea secundar se numete transformator Dy. Litera mare (majuscula) descrie conexiunea din bobinajul primar, litera mic descrie bobinajul secundar. Litera o se folosete pentru a arta dac punctul de legtur dintr-o conexiune n stea este mpmntat.


4.5.4 Antrenarea mecanic pentru propulsor i elice

Motorul electric este cel mai folosit pentru conversia puterii electrice n putere mecanic i este folosit i pentru propulsia electric i alte sarcini de la bord cum ar fi vinciurile, pompele sau ventilatoarele, etc. De regul, 80 90% din sarcinile navei sunt preluate de motoarele electrice. n acest capitol, este prezentat o vedere de ansamblu asupra diferitelor motoare i aplicaii ale lor n instalaiile navale, pentru mai multe informaii cu privire la performan, design i caracteristici, sunt indicate referine ctre alte cri.

Motoarele electrice pot fi :

- Motoare de curent continuu - motoare alimentate de o surs de curent continuu, i de vreme ce generatorul i sistemul de distribuie sunt n mod normal un sistem trifazat, aceasta nseamn c un motor curent continuu va fi alimentat de la un redresor. Acesta d un control asupra vitezei motorului.

- Motorul asincron sau motorul cu inducie estecel mai utilizat. Designul simplu i robust i confer via ndelungat cu minimum de ntreinere. Motorul asincron este folosit n diferite aplicaii, fie ca motor cu vitez constant direct conectat la reea, sau ca motor cu vitez variabil alimentat printr-un convertizor static de frecven.

- Motorul sincron este folosit de regul la propulsoarele mari. Designul motorului sincron este similar unui generator sincron. Nu este folosit n mod normal fr un cicloconvertor convertor de frecven pentru o nav cu vitez variabil.

- Motor sincron cu magnet permanent sunt folosite n industrie la motoarele de civa KW, de asemenea pentru montaje directe. De curnd ns motorul a fost introdus la puteri mari: la propulsoarele de civa MW la propulsoarele ncapsulate. Avantajul designului este c ocup un spaiu restrns, transformndu-l ntr-o posibil soluie pentru propulsia cu motor ncapsulat, unde dimensiunile ar trebui s fie ct mai mici cu putin, iar sistemul de rcire direct cu ap de mare va elimina necesitatea de rcire cu aer a motorului ncapsulat, simplificnd construcia i modul de instalare.


Motorul de vitez constant cu transmisie direct

Un motor electric poate fi conectat direct la reea, iar astfel de motoare sunt cu transmisie direct, de regul trifazate asincrone, sau motoare cu inducie. Motorul asincron are un design simplu i robust, n care bobinajul trifazat al statorului este asemntor cu bobinajul unui stator dintr-un generator. Rotorul este cilindric, cu un miez din tole de oel i cu nfurare n scurtcircuit similar cu nfurarea de amortizare dintr-o main sincron. La sarcin nul, tensiunea indus n nfurarea statorului va declana un cmp magnetic n motor, care trece prin ntrefier i se rotete cu o vitez direct proporional cu frecvena tensiunii induse, numit frecven sincron (fs). De aici se deduce viteza sincron ns: Pe msur ce arborele ntr n sarcin, viteza rotorului scade, i vor aprea cureni indui n nfurarea rotorului ce se vor roti relativ cu cmpul magnetic sincron din nfurarea statorului. Se definete alunecarea (s) ca fiind decalajul vitezei motorului fa de viteza sincron ( ns ).

n1 este turaia de sincronism i

n2 este turaia rotorului.

Alunecarea ia valori de la 0 la 1 ( atunci cnd rotorul este blocat ). Alunecarea pentru sarcin nominal este sub 0,05 (5%) pentru majoritatea motoarelor, sau chiar mai mic (2-3%) pentru motoarele mari.

Folosind modelul electric al motorului asincron, se poate stabili o formul matematic funcie de alunecare, pentru tensiunile din stator i rotor, momentul de rotaie, i energie. Un factor dezavantajos este c parametrii, n special cei de rotor, sunt dependeni de alunecare.

Fig 3.4 arat tensiunile statorului i momentul de rotaie pentru un motor asincron, conectat la o reea rigid de frecven fix, n funcie de viteza rotorului i alunecare. Indic de asemenea curba de sarcin pentru un propulsor cu pas constant, pentru zero propulsie i propulsie maxim. Pornirea motorului de propulsie trebuie sa se fac ntotdeauna la propulsie zero, pentru a fi siguri c exista un cuplu suficient de demarare pentru a asigura pornirea n bune condiii i pentru a minimiza timpul de pornire.

n condiii de staionare, viteza motorului este apropiat de viteza sincron, iar tensiunea indus din rotor este proporional cu alunecarea. Din schema electric din fig. 3.16, se poate extrage o formul simpl a tensiunii rezultate a statorului Is.


= + = + Im este curentul de magnetizare (de excitaie) ce strbate inductana magnetizatoare Lm, neglijnd pierderile magnetice n Rm.

Ir este tensiunea din rotor, T este momentul de rotaie. Indicele N denot tensiunile din condiii nominale, sau mai simplu, dac se neglijeaz efectele pierderilor de inductan n rotor i stator:

= cos = sin Fig 4.4 caracteristicile sarcinilor unui motor asincron direct, n raport cu sarcinile unui propulsor de pas constant

Datorit tensiunii de start foarte ridicate al mainilor asincrone, de cele mai multe ori va fi necesar instalarea altor dispozitive pentru a asigura un start mai bun. Starterele reduc tensiunile din rotor, astfel nct aceste pot fi de la de 5 ori pn la de 2 ori mai mici, astfel reducnd i cderile de tensiune. Starterele trebuiesc ntotdeauna reglate dup caracteristicile sarcinilor, dup cum principiul se bazeaz pe reducerea tensiunii din motor la pornire, astfel reducnd valoarea momentul de rotaie al motorului. Cele mai ntlnite sunt:


Motorul cu transmisie direct n regim de funcionare se va roti cu o vitez determinat n mod direct de ctre frecvena reelei. Pentru propulsor, pompe, vinciuri, se poate realiza o semnificativ economie de energie i de combustibil, reducnd pierderile din regimul de funcionare n gol al operatorilor. De asemenea, manipularea sarcinii induse va fi mbuntit, controlnd viteza motorului.


Cele mai folosite motoare cu acionare mecanic sunt:

- Transformatoare de tip invertoare de tensiune de excitaie (VSI) pentru motoare de curent alternativ: motoare asincrone, sincrone i motoare sincrone cu magnet permanent

- Transformatoare de tip invertoare de flux (CSI) pentru motoare de curent alternativ, de obicei motoare sincrone - Cicloconvertoare pentru motoarele de curent alternativ - motoare sincrone - Transformatoare de curent continuu sau SCR (redresoare de siliciu ) pentru motoare de curent continuu La nav, cele mai folosite motoare de pas variabil sunt motoare de curent alternativ. Majoritatea motoarelor, cu excepia cicloconvertoarelor, au

un redresor, care rectific tensiunea din linie, i un invertor, care genereaz o frecven i o tensiune variabile, pentru motor. Reostatul de pornire al motorului conine controlul vitezei i al tensiunilor, ajustnd elementele de comand ale redresorului i/sau ale invertorului. Interfee pentru sistemul de suprareglare, sistemul de management al navei, sistemul de comand, i controlul poziionrii dinamice, sunt n mod normal necesare. Regulatorul primete semnalele senzorilor de temperatur, tensiune, vitez din motor i propulsor.

Fig 4.5 Schema unui motor cu pas variabil, cu transformator cuplat la o reea de curent continuu, tipic transformatoarelor de tip VSI sau CSI

Componentele semiconductoare ale circuitului electric sunt, fie incontrolabile, cum sunt diodele, fie controlabile, cum sunt tiristoarele, modulul IGBT sau modulul IGCT. Figura 3.6 prezint un modul IGBT (tranzistor bipolar cu gril izolat) pentru tensiune mic, i un modul IGCT (tranzistor bipolar cu gril integrat) pentru tensiune medie de 3300V.

Fig. 4.6 a)un modul IGBT fr carcas. Acesta const din mai multe componente integrate intr-un singur modul.


Fig. 4.6 b) Modul IGCT (denumit i puc de hochei) dezasamblat. Plcua de siliciu este n partea de sus n mijloc.

Un motor poate, dac aa a fost proiectat, poate s ruleze n ambele direcii, cu un cuplu de frnare sau de accelerare. Pentru a putea stabili pentru ce condiii a fost proiectat un motor, se introduce termenul de cadran, termen folosit n diagrama de vitez-moment 3.7. Motorul este supraturat n cadranele I i III, i este frnat n condiiile de operare din cadranele II i IV.

Fig 4.7: motoarele sunt deseori clasificate n funcie de cadranul n care au fost concepute s ruleze. Cadranele compun o diagram putere - vitez


De obicei motorul include funcia de control al vitezei, iar capacitatea funciei de control poate fi interpretat ca un cuplu director, adic o dat de intrare pentru algoritmul de control al motorului. Aceti algoritmi folosesc modelul electronic al motorului pentru a controla tensiunile din motor i voltajul, prin deschiderea sau nchiderea elementelor redresorului (dac sunt controlabile) sau invertorului. n principiu, controlerele ar trebui s aib o diagram a blocului de control (fig. 3.8). Controlul cuplului director se realizeaz prin ntreruperea circuitului regulator al vitezei, i setnd cuplul director ca fiind principala mrime de intrare. Viteza motorului se msoar de regul, dar noile controlere cu care sunt dotate motoarele moderne, sunt echipate cu estimatori de vitez, eliminnd astfel nevoia instalrii unui senzor de vitez dedicat.

Fig 4.8 diagrama unui bloc controler

Pentru majoritatea aplicaiilor practice, circuitul regulator al vitezei poate fi considerat regulator proporional integral cu ciclu nchis, cu un control al rotaiilor integrat. Pentru simulri i sinteze ale circuitului regulator, se analizeaz diagrama bloc din fig. 3.9


4.6. Uniti propulsoare

Acest subcapitol prezint cele mai folosite principii de propulsie de la navele cu motor electric.

Propulsie axial

ntr-un sistem de propulsie diesel electric cu propulsor axial, elicea este n mod normal acionat de motoare electrice de vitez variabil. Motoare pe orizontal pot fi direct conectate la arborele elicei, aceasta fiind o soluie simpl i fiabil, sau printr-un angrenaj cu roi dinate care mresc viteza de rotaie a motorului, fcndu-l n acelai timp mai compact.

Dezavantajele sunt complexitatea mecanic ridicat i pierderile de energie mecanic. La navele diesel electrice, arborii de transmisie sunt folosii acolo unde energia propulsoare este mai mare dect cea necesar - la propulsoarele azimutale.

Propulsia axial va avea ntotdeauna i crm - o crm la elice. Folosind crma cu hipersustentaie, propulsoarele axiale pot fi de asemenea folosite i la propulsia transversal. Dac este nevoie de propulsie transversal adiional pentru manevrare sau de meninere a poziiei, vor trebui instalate trustere i la pupa navei. Propulsorul este de pas constant, dndu-i un design simplu i robust.


Fig. 4.10 cteva exemple de configuraii ale axului motor


Propulsorul ncapsulat

La fel ca propulsoarele azimutale convenionale, propulsoarele ncapsulate se pot roti n orice direcie. Principala diferen fiind modul de integrare al motorului direct n puul arborelui elicei, n interiorul unei carcase etanate aflat sub nivelul chilei. Figura 3.11 arat schema unui motor ncapsulat. propulsorul cu pas constant este montat direct n puul arborelui. De vreme ce se ocolete folosirea unei transmisii mecanice, eficiena transferului de putere este mai ridicat dect la propulsoarele azimutale. Puterea electric este transferat la motor prin legturi flexibile sau prin inele colectoare pentru libera micare a motorului la 3600. Viteza propulsorului fiind constant, nu exist transmisie prin angrenaje, construcia mecanic avnd o complexitate mecanic mai mic.

Propulsorul ncapsulat se poate roti n direcia nainte sau napoi dac rulmenii de transmisie permit acest lucru, ns propulsorul este optimizat de obicei pentru a lucra ntr-o singur direcie. Acest tip de uniti de propulsie sunt folosite de un deceniu de navele de croazier, sprgtoarele de ghea, nave de asisten sau tancuri petroliere. Sistemul este n prezent valabil pentru puteri de la 1 MW la 25 MW. Modulele mai mari fac accesul mai simplu la motorul ncapsulat pentru eventualele inspecii.


4.7 Noi modele i concepte

Distribuia energiei electrice

O schimbare dramatic n ceea ce privete tehnologia existent de distribuie a energiei electrice n sistemele de curent alternativ nu este foarte probabil. ns a nceput i va continua introducerea gradual a noilor sisteme de protecie a transmisiei, sisteme programabile cu bloc de comand. Aceasta nseamn c flexibilitatea sistemului va crete, iar costurile totale ale proiectului vor fi reduse.

Propulsia

Sistemul de propulsie ncapsulat este cel mai mare pas nainte n domeniul propulsiei din ultimii ani. Conceptul nu este ns accesibil tuturor compartimentelor, dar este n continu dezvoltare. Acest design va avea un impact semnificativ asupra modului de construcie al navei, permind apariia unor nave noi n mai multe arii de aplicaie.

La conceptul CRP ( Contra Rotating Pod ), propulsia ncapsulat este combinat cu un arbore de transmisie tradiional dup cum prezint figura 3.14. Propulsorul este azimutal, cu un motor electric cu pas variabil, viteza arborelui de transmisie poate fi controlat fie cu un motor electric, fie cu regulator al pasului elicei convenional (motor diesel cu acionare direct). Conceptul CRP are un rol important n mbuntirea eficienei propulsiei, ca i a redundanei i al puterii de propulsie, pentru mai multe tipuri de nave.


4.8 Puterea i modul de control al propulsiei

Figura 4.15 ilustreaz un sistem modern, automat de protecie al centralei energetice de propulsie, iar funciile implementate n ierarhia controalelor pot fi vzute n diagrama 4.2.

Interfaa utilizator afieaz msurtori i moduri de prezentare, o serie de comenzi accesibile utilizatorului, sisteme de alarm,etc. Staiile de comand sunt amplasate pe puntea de navigaie i pe puntea mainii.


Fig. 4.16 Ierarhia de control al unei centrale electrice


Motoare de propulsie electric

Introducere

Motoarele cu pas variabil au existat n industrie de multe decenii, fiind pentru prima dat folosite la sfritul anului 1960. La nceput, motoarele ce foloseau curentul continuu erau cea mai fiabil alegere ca propulsor, dar prin anii 1980, motorul de curent alternativ devine competitiv. De atunci, aproape toate noile unitii propulsoare electrice au la baz tipologiile motorului de curent alternativ.

. Motoarele cu turatie reglabila prin intermediul convertoarelor statice

Cele mai folosite transformatoare ce alimenteaz motoarele sunt:

- Transformatoare de tip invertoare de tensiune de excitaie (VSI) pentru motoare de curent alternativ: motoare asincrone - Cicloconvertoare pentru motoarele de curent alternativ - motoare sincrone - Transformatoare de tip invertoare de flux (CSI) pentru motoare de curent alternativ, de obicei motoare sincrone - Transformatoare de curent continuu sau SCR (redresoare de siliciu ) pentru motoare de curent continuu Se va porni de la transformatoarele de curent continuu pentru c au o construcie mai simpl i sunt mai uor de neles , n timp ce restul au o

configuraie mai complex, dar au o baz comun cu transformatoarele de curent continuu.

Redresor stabilizat n punte semicomandat cu tiristoare pentru motoarele de curent continuu

Cel mai folosit motor de curent continuu este motorul electric cu excitaia n derivaie, cu bobinaj de excitaie alimentat separat i cu nfurare indus. Curentul indus este transferat de la borne la rotor prin folosirea periilor conectate la o bobin rototic. n practic, curentul indus trece de asemenea prin nfurri fixe adiionale, care nlesnesc trecerea curentului printre segmentele comutatorului, dar acest efect este ignorat n aceast prezentare.


La un motor electric cu excitaia n derivaie, tensiunea indus n nfurare este proporional cu valoarea fluxului magnetic i cu viteza de rotaie. Fluxul magnetic este o funcie a curentului de excitaie, iar datorit efectului de saturaie, n practic nu sunt proporionale.

Figura 4.18 limitrile caracteristice motorului electric (cu excitaia in) derivaie n operare

Momentul de rotaie dezvoltat este proporional cu tensiunea de excitaie i cu fluxul magnetic:

KT este constanta momentului de rotaie iar Ia este tensiunea de excitaie.

De vreme ce motoarele de curent continuu pot fi alimentate de o surs de curent continuu cu tensiune, flux i curent de excitaie limitate, dup cum arat i figura 5.1.

n aplicaiile de mare putere, redresorul stabilizat n punte semicomandat cu tiristoare alimenteaz un motor de curent continuu cu o tensiune indus calculat. n mod similar, nfurarea este excitat printr-un curent de excitaie regularizat.

Momentul de rotaie este controlat cu acuratee i cu oscilaii mici dac inductana este mare, dar aceasta poate de asemenea pe de alt parte, s reduc performanele dinamice. n acest caz, curentul continuu din bobinajul de indus este controlat prin schimbarea de faz a conductivitii tiristorilor prin modificare unghiului grilei de amorsare. Acest unghi poate lua valori de la 0 la 180 de grade, iar curentul de excitaie poate fi regularizat ntre valorile de +1,35 la -1.35 fata de valoarea nominala. n practic ns, unghiul grilei de amorsare nu poate fi mai mic de 15 grade, pentru a menine stabilitatea motorului chiar i cu cderile de tensiune din reea.

De vreme ce curentul de excitaie este controlat prin reglarea unghiului grilei de amorsare al tiristorului, curentul alternativ va fi defazat n funcie de tensiunea principal. Unghiul de defazaj al curentului este aproximativ egal cu unghiul grilei de amorsare. Unghiul de amorsare fiind


proporional cu viteza de rotaie, se va observa c unghiul de defazaj va fi de asemenea proporional cu tensiunea, i deci i cu viteza de rotaie. ntr-un motor de curent continuu, unde viteza poate varia de la 0% la 100%, factorul de energie poate lua valori de la 0 la 0,96 (=15 grade ).

Fig. 4.20 a) Redresor stabilizat n punte semicomandat cu tiristoare pentru motorul de curent continuu; b) tensiunea medie din motor este controlat prin controlul conductibilitii tiristoarelor prin varierea unghiului grilei de amorsare ( aici =300 ). Tensiunea medie este Vdc=1,35Vucos

Convertizoarele de curent

Reeaua de curent continuu alimentat printr-un redresor controlat de un tiristor i filtrat de un drosel, caracterizeaz convertizorul de curent. Convertizorul este n mod normal folosit mpreun cu un motor sincron, dar poate, cu anumite modificri s fie folosit i la un motor asincron. Motorul asincron variant era mai ntlnit n trecut, fiind rar folosit la noile instalaii. Motorul sincron este similar generatorului sincron, cu nfurare


magnetic i bobinaje trifazate. Din punct de vedere al reelei de energie, invertorul este identic cu un redresor stabilizat n punte semicomandat cu tiristoare pentru motorul de curent continuu, iar caracteristicile de legtur ctre reea sunt considerate a fi la fel. Invertorul care alimenteaz motorul are aceleai caracteristici ca i redresorul, i folosete tensiunea indus din motor n locul tensiunii din reea. Redresorul cu tiristor este dependent de factorul de vitez, fiind ridicat la viteza nominal a motorului (0,9), scznd proporional cu micorarea vitezei. Curentul de alimentare este un curent sinusoidal care trebuie luat n seam la conceperea sistemului, fiind controlat n mod normal prin instalarea unei configuraii hexafazate, cu 12 impulsuri.

Fig. 4.22. Motor cu transformatoare de tip invertoare de flux (CSI), cu limitrile caracteristice operrii


Cicloconvertoarele

Cicloconvertorul este un transformator fr legtur direct cu reeaua de curent continuu (vezi fig. 5.4). Tensiunea din motorul de curent alternativ este produs selectnd segmentele de faz ale tensiunii de alimentare. O configuraie cu 12 impulsuri ce reduce curentul sinusoidal, poate alimenta un cicloconvertor, dar poate fi utilizat i o configuraie n 6 impulsuri, n care transformatoarele de alimentare pot fi nlocuite de reactoare atunci cnd tensiunea de alimentare este la fel ca tensiunea din invertorul de faz.

Tensiunea motorului este controlabil pn la o treime din frecvena de alimentare (aproximativ 20 Hz ), deci este aplicabil motoarelor cu transmisie direct.

Limitele de operare sunt similare celor gsite la transformatoarele de tip invertoare de flux de la motoarele sincrone, cu diferena c nu exist limitrile la vitez mic. Din acest motiv cicloconvertoarele sunt preferate n aplicaii n care operarea la vitez mic i performana sunt eseniale, mai ales la sprgtoarele de ghea, dar i la navele pasagere i la navele cu poziionare dinamic, acolo unde viteza mic i manevrabilitatea sunt necesare. Cicloconvertoarele sunt valabile pentru o variaie de putere de la 2 la 22 MW pe motor.


Fig. 4.23 Oscilaiile tensiunilor de ieire i de intrare ale unui cicloconvertor. Tensiunea de ieire este produs selectnd segmentele de faz ale tensiunii de alimentare.


Transformatoare de tip invertoare de tensiune de excitaie (VSI)

Convertorul VSI este pe departe cel mai folosit transformator de faz n aplicaiile industriale. Acesta acord flexibilitate, acuratee i performan pentru orice propulsor i poate fi folosit i la motorul asincron. Poate fi de asemenea folosit cu succes i la motorul sincron i la motorul sincron cu magnet permanent. Principalul defect al acestei tehnologii este necesarul de componente pentru putere mare. Recent, limitarea acestor motoare a fost ridicat odat cu apariia noilor componente, de la 8-10 MW, la 30 de MW.

Redresorul, de regul un redresor cu diod conectat la reea, caracterizeaz transformatoarele de tip invertoare de tensiune de excitaie. Aceasta modific tensiunea din reea, care d un curent constant, care este mai departe filtrat de o baterie de condensatoare din reeaua de curent continuu. Condensatorul din reeaua de curent continuu asigur de asemenea c fluctuaiile de frecven de la invertor nu afecteaz reeaua. Un convertor VSI pe 6 impulsuri alimenteaz motorul asincron este prezentat n fig.4.24 .


Redresorul din fig. 4.24 reprezint o configuraie n 6 pulsuri folosit acolo unde transformatorul este conectat direct la reea. Curenii armonici

dominani sunt 5, 7, 11, 13 n ordinea armonicii. Distorsiunea armonic poate fi redus prin folosirea unei configuraii de 12 pulsuri cu alimentare

dubl printr-un transformator echilibrat, anulnd astfel curenii armonici 5 i 7. Acolo unde un transformator era necesar pentru adaptarea tensiunii,

era necesar folosirea unei configuraii n 12 pulsuri. Folosirea convertoarelor PWM i al configuraiei pe 12 pulsuri, duce la apariia unor cureni

armonici apropiai de limita impus de reguli i de caracteristicile tehnice, astfel nct trebuiesc instalate mijloace adiionale ( de exemplu elementele

de filtrare ). Exist cteva metode de controlare a dispozitivele de comutare pentru a obine tensiunea dorit pentru alimentarea motorului. Cea mai

folosit este instalaia PWM, fiind i cea mai uor de folosit. O tensiune trifazat PWM este generat avnd ca referin semnalul celor 3 unde

sinusoidale i comparndu-l cu semnalul undei formate din impulsuri cu limea modulat triunghiular, dup cum arat i figura 5.6. Dac referina

sinusoidal este mai mare dect semnalul triunghiular, elementul de comutaie primar din invertor, primete un semnal de pornire, iar cel secundar

este oprit i invers n cazul n care semnalul triunghiular este mai mare dect cel de referin.


Fig.4.25: Generarea pulsurilor de comutaie ctre invertorul modular PWM, tensiunea de ieire fiind mprit ctre fazorii motorului


Exist numeroase metode de a programa unitile de comand i control ale motorului, care vor crea impulsuri ctre motor, astfel controlnd energia mecanic furnizat de modul:

Controlul scalar - este cel mai simpl i cea mai rspndit tehnologie pentru controlul motorului asincron. A fost posibil integrarea n circuitul analogic, metoda cea mai fiabil pentru primele tipuri de motoare cu capacitate de control. Controlul scalar este bazat pe un motor asincron n regim permanent, dup cum se vede i n figura 3.18, tensiunea i frecvena corespunztoare fiind calculate pentru a da momentul sau viteza dorite de consumator. Dezavantajul este c modelul este valabil doar pentru regimuri permanente, parametrii modelului sunt dependeni de temperatur, frecven, etc. De altfel, metodele scalare au o performan dinamic sczut, ce limiteaz capacitile motorului.

Controlul vectorial al fluxului rotoric- aceast metod a fost dezvoltat la sfritul anilor 1960 de ctre cercettorul german Blaschke. Metoda se bazeaz pe un tipar n care tensiunile, fluxurile i curenii din motor sunt reprezentai prin vectori ntr-un sistem rotativ de coordonate. Cu coordonatele orientate n sensul fluxului magnetic al motorului, componentele vectorului curent sunt descompuse n vectorul flux magnetic i vector moment de rotaie, n mare parte la fel ca la reprezentarea curenilor motorului de curent continuu i al curenilor armonici. Metoda avea nevoie de capacitate de calcul din partea computerelor cu mult peste ce era valabil atunci, astfel nct a fost aplicat abia n anii 1980. Dezavantajul este c modelul trebuie s ntocmeasc transformrile vectoriale, ce pot avea parametrii variabili, mai ales rezistivitatea motorului ce depinde de temperatur. Pentru a se obine o bun performan dinamic, rezistivitatea motorului trebuie adaptat n timpul funcionrii sau temperatura s fie monitorizat. Figura 6.3 arat schema acestei uniti de comand i control.

Controlul vectorial avansat al statorului aceeai descompunere a vectorilor flux i moment poate fi produs folosind modelul fluxurilor i tensiunilor statorului, ntr-un sistem statoric de coordonate. Acest model poate fi fcut independent de variaia parametrilor rotorului, dar necesit o mare capacitate de calcul din partea computerului de comand i control. Prin simulare, aceast metodologie a fost cunoscut din anii 1980. Apoi la mijlocul anilor 90 tehnologia denumit i DTC (direct torque control) a fost comercializat. Modelul matematic al motorului asincron are o frecven de testare de 40 kHz pentru o acuratee mrit al controlului, altfel fiind imposibil estimarea valorilor tensiunilor din motor i viteza acestuia.

Figura 4.26 arat limitrile unui motor asincron VSI. Limitrile tensiunilor sunt date de tensiunea maxim de ieire de la invertor, care monitorizat furnizeaz limitrile pentru curentul statorului i pentru momentul de rotaie. Asta nseamn c motorul limiteaz tensiunea i momentul n condiiile de operare continu, i tensiunea pe invertor pentru operri intermitente


Fig 4.26 Schem simplificat pentru controlul vectorial al fluxului rotoric, numit i DTC (Direct Torque Control)


Fig. 4.27: Limitrile regimului de operare pentru un motor asincron cu transformatoare de tip invertoare de tensiune de excitaie


Motorul prezentat n figura 4.28 este capabil s ruleze n ambele sensuri de rotaie. Datorit faptului c alimentarea cu energie trece prin redresorul cu diod, energia poate fi extras doar direct din reea i nu poate trece napoi n reea n timpul regimului de frnare prin recuperare.

Pentru a se putea regenera energia pierdut, este necesar construirea unui modul cu un tranzistor controlat de un rezistor, care s fie legat la reeaua de curent continuu i activat nainte ca limita de siguran pentru supratensiune s fie depit. Energia regenerat va fi apoi transmis n rezistor. Ca alternativ, redresorul poate fi echipat cu un redresor stabilizat n punte semicomandat cu tiristoare, pus n paralel i de sens contrar cu redresorul cu diod.

Fig. 4.28: Capacitatea de frnare pentru motor, manevra n care maine se pune pe napoi


n timpul condiiilor operrii la cheu, alimentarea cu energie va fi pozitiv, de la reea la motor. Poate exista un moment dinamic de frnare pentru reducerea sau stoparea propulsorului, n cazul n care nu este suficient momentul hidrodinamic de frnare.

Figura 4.29 ilustreaz patru cadrane de operare ntr-o diagram moment-vitez.


Transformatorul pe 6 impulsuri din fig. 5.5 nu absoarbe curentul sinusoidal din reea. Pentru a se reduce distorsiunea, este recomandat folosirea unei configuraii pe 12 impulsuri dup cum se vede n fig. 5.11. Aceasta este alimentat de un transformator cu o deplasare de faz de 30 de grade i legat n serie sau n paralel cu 2 redresoare cu diod pe 6 impulsuri, astfel distorsiunea din curenii primari va fi drastic redus. Similar se pot folosi configuraii pe 18 impulsuri ( 3 redresoare cu diod i un transformator cu 4 nfurri ) sau pe 24 de impulsuri (4 redresoare cu diod i un transformator cu 5 nfurri ), pentru a reduce i mai mult distorsiunea. Totui o configuraie pe 12 impulsuri va fi n mod normal de ajuns pentru a aduce efectul de distorsiune la un nivel acceptabil.

Fig. 4.30: Redresoare cu diod pe 12 impulsuri. Conexiunea n serie este folosit cel mai des la convertoarele de tensiune medie, iar legtura n paralel se folosete pentru convertoarele de tensiuni mici.


Un transformator de tip invertor de tensiune de excitaie, pe 12 impulsuri, cu un voltaj mediu, conceput pentru un motor asincron cu rcire cu ap.

Fig. 4.31:a) Invertoare pe trei niveluri sunt des aplicate convertoarelor de voltaj mediu, pentru c solicitarea tensiunii pe fiecare component va fi mai mic, iar distorsiunea armonic din curenii motorului va fi mai sczut, pentru aceeai frecven de comutaie (vezi fig. 4.31)

b) fluxul curentului ctre motor este urmtorul: din stnga, tensiune pozitiv, neutr, sau negativ


Fig. 4.32: Exemplu de tensiune linie-linie dat de un invertor pe 3 niveluri. Variaiile de sensiune vor fi mai mici n comparaie cu un convertor pe 2 niveluri, iar raportul de ondulaie al curentului- la fel de sczut, la aceeai frecven de comutaie.

Fig. 4.33: Un modul VSI(transformatoare de tip invertoare de tensiune de excitaie) cu IGCT (tranzistor bipolar cu gril izolat) pentru motorul asincron de tensiune medie (ABB ACS 6000). De la stnga la dreapta: 1. Redresoare cu diod; 2. Centru terminal de comand i control; 3. Invertor IGCT; 4. Condensatoare de curent continuu; 5. Unitate de rcire cu ap prin schimb de cldur i pompe de circulaie.


Studiul Tehnic Al Sistemelor de Propulsie Electrica Navala

Documents

Transcript of Studiul Tehnic Al Sistemelor de Propulsie Electrica Navala