Характеристики энергетической установки самоходной земляной машины. История развития гребных электрических установок. Недостатки двигателей и системы тиристорного управления. Модернизация электропривода земснаряда, ее технико–экономический расчёт.
Аннотация к работе
Основное ядро судов технического флота составляют земснаряды, а также обеспечивающие технологию их работы вспомогательные суда - мотозавозни и грунтоотвозные шаланды. Земснаряд «Анабар» проекта П-2104(рис 1.1;1.2) является самоходной земляной машиной, приводимой в движение тремя гребными электродвигателями постоянного тока с управляемыми выпрямителями, суммарной мощностью 1200КВТ. В состав ЭУ входят два дизель - генератора переменного тока мощностью по 1180 КВТ каждый при частоте вращения 1000об/мин с напряжением 380 В, для питания асинхронных электродвигателей грунтозаборного устройства. В 1903 - 1904 гг. Сормовским судостроительным заводом были построены речные суда - электроходы «Вандал» и «Сармат», у которых для привода гребных винтов на переднем ходу применялись дизели, а для привода винтов на заднем ходу - электродвигатели.Дальнейшему развитию гребных электрических установок способствовало создание систем многофазного переменного тока и быстрое развитие электрического привода. При работе ГЭУ в режиме хода земснаряда характеристика гребного винта соответствует характеристике в свободной воде, а при работе землесоса на прорези гребные винты работают по характеристике, близкой к швартовой, что и обуславливает работу тиристорного преобразователя при регулировании угловой скорости электродвигателей, вращающих гребные винты, либо с полным магнитным потоком, когда изменяется только напряжение якоря, либо при постоянном напряжении якоря при изменяющимся магнитным полем при работе ГЭУ в режиме свободной воды.В данном дипломном проекте рассмотрен вариант модернизации электропривода земснаряда. Сделаны необходимые, для осуществления модернизации, выводы и расчеты, результаты которых показали что новая система ПЧ - Двигатель, намного предпочтительней по сравнению с ранее существующей системой.Данная система управления полностью удовлетворяет требованиям предъявленным к электроприводу судна. Экономический расчет показал, что модернизация электропривода целесообразна, как со стороны окупаемости, так и экономического эффекта. двигатель тристорный земснаряд электропривод Общий курс электропривода: учебное пособие для вузов / М.Г. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: учеб. пособие / А.А Федоров, Л.Е. Старкова.
План
Гармоническое содержание синусоиды
Введение
Эффективность работы речного флота во многом определяется состоянием водных путей в навигационный период. Создание новых судоходных трасс и поддержание эксплуатируемых водных путей в судоходном состоянии вызывают необходимость выполнения большого объема дноуглубительных работ. В связи с этим важно повысить уровень использования и надежность работы технических средств транспорта.
Основное ядро судов технического флота составляют земснаряды, а также обеспечивающие технологию их работы вспомогательные суда - мотозавозни и грунтоотвозные шаланды. Это большая группа судов, которая, кроме обеспечения судоходства, выполняет важную самостоятельную функцию - производство земельных работ под водой с самыми различными целями.
Земснаряды используют для: выполнения дноуглубительных работ; расширения, углубления и спрямления водных путей; намыва платин и дамб, рытья котлованов и возведения насыпей, добычи полезных ископаемых и минеральных строительных материалов из подводных карьеров; разработки траншей, прокладке кабелей, газо- и нефтепроводов.
Земснаряды, используемые на дноуглубительных работах, классифицируют по следующим признакам: способу отделения грунта от дна водоема, подразделяют на землесосные и черпаковые, (землесосы, многочерпаковые, одночерпаковые, грейферные дноуглубительные, грейферные для добычи ПГМ, скреперные и скалодробильные). Способу транспортирования грунта к месту отвала, подразделяют на рефулерные, шаландовые, длиннолотковые, конвейерные и самоотвозные (трюмные); Способу передвижения с одного участка работы на другой, подразделяют на самоходные и несамоходные;
Средствам перемещения в процессе разработки грунта, подразделяют на якорные, свайно-якорные, а так же снаряды с движетельной установкой, обеспечивающей эти перемещения;
По типу энергетической установки, подразделяют на дизельные, дизель-электрические, пароэлектрические и дизель-гидравлические.
Современные земснаряды имеют высокую степень энерговооруженности и отличаются от судов транспортного флота большей разнообразностью и сложностью схем электрооборудования и автоматики.
Дальнейшее развитие судов технического флота и совершенствование технологии его использования немыслимы без внедрения современного оборудования, повышения профессиональной подготовки и переподготовки кадров.
В 1980-х годах для разработки баров рек крайнего севера судостроительная компания «Wartsila» по заказу СССР приступила к постройке дноуглубительных машин проекта П-2104. В период с 1985-86 годы с финской верфью «Wartsila» было спущено 4 землесоса, два из которых з/с «Анабар и Индигирка» разрабатывают бары рек в Ленском бассейне: Яна и Индигирка обеспечивая тем самым северный завоз в отдаленные районы. Период навигации в данных районах составляет 3-4 месяца. За это время необходимо з/с «Анабару» разработать прорезь на баре протяженностью 12 километров с гарантированной глубиной 3 метра. Работу земснаряда обеспечивает экипаж численностью 32 человека.
1. Техническое описание
Земснаряд «Анабар» проекта П-2104(рис 1.1;1.2) является самоходной земляной машиной, приводимой в движение тремя гребными электродвигателями постоянного тока с управляемыми выпрямителями, суммарной мощностью 1200КВТ. Земснаряд с подвесным грунтопроводом длинной 50 метров и диаметром 0,9 метров. Грунтопровод вместе с противовесом размещен на специальной форме, которая установлена на поворотной платформе , что позволяет установить его под углом 90о к ДП по любому борту и параллельно ДП в положении «по - походному». Землесос предназначен главным образом для углубления на устьевых участках рек Сибири с неблагоприятным ветровым и волновым режимом.
Рисунок 1.1- вид земснаряда сбоку и сверху на подвисной пульпопровод
Рис. 1.2-вид земснаряда: сверху, главная палуба, трюм.
В состав ЭУ входят два дизель - генератора переменного тока мощностью по 1180 КВТ каждый при частоте вращения 1000об/мин с напряжением 380 В, для питания асинхронных электродвигателей грунтозаборного устройства. А так же два дизель - генератора переменного тока мощностью по 1770 КВТ каждый с частотой вращения 1000 об/мин с напряжением 380 В, для питания: гребных электродвигателей, электродвигателя постоянного тока подруливающего устройства 300 КВТ, асинхронных электродвигателей насосов гидроразрыхления (2х250 КВТ и 2х 315 КВТ) и всех остальных потребителей. Предусмотрена также возможность рабочих перемещений с помощью пяти оперативных лебедок общей мощностью 150 КВТ. Электроэнергию на стоянке вырабатывает дизель - генератор мощностью 200 КВТ. В качестве аварийного предусмотрен дизель - генератор мощностью 100 КВТ. Характеристики движителей и энергетической системы указаны в таблице (1.1;1.2).
Основные характеристики движителей и энергетической установки.
Таблица 1.1-Движители
1 2
Гребной винт Фиксированного шага
Количество 3
Число лопастей 4
Диаметр винта мм. 1400
Исполнение Правое/левое/правое
Насадка неподвижная
Длина мм. 700
Диаметр входного отверстия мм. 1658
Диаметр выходного отверстия мм. 1466
Диаметр насадки в плоскости винта мм. 1412
Редуктор гребной установки «Walmet\sg-iv355»
Количество шт. 3
Гребные электродвигатели «GRCU7142 stromberg»
Количество шт. 3
Мощность квт. 400
Частота вращения об/мин. 0…1400
Управление Тиристорное
Род тока Постоянный 0…500 А.
Таблица 1.2-Энергетическая установка
Главные дизель- генераторы «VASA» 8R22HF «WARTSILA» количество 2
Использование главных дизель генераторов 8R22HF отдельно питают ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ грунтозаборной установки, Один 12V22HF питает судовую сеть, Другой 12V22HF находится в резерве. Все главные дг синхронизируются.
2. Гребные электрические установки
Краткая история развития гребных электрических установок.
Гребные электрические установки существуют уже более 160 лет. Первый в мире электроход - лодка с гребными колесами, приводимыми во вращение электродвигателем,- появился в России в 1838 году, благодаря трудам замечательного русского ученого Б.С. Якоби, который не только разработал конструкцию электродвигателя и построил его, но и впервые применил для привода судового движения. Однако в XIX в. Практического применения электрические гребные установки не получили изза низкого уровня развития электротехнической промышленности. XIX в. Был «веком пара». И только в начале XX века в связи с развитием электромашиностроения и появлением двигателя внутреннего сгорания - двигателей Дизеля - гребные электрические установки нашли практическое применение.
Вначале двигатели применялись только для обеспечения заднего хода, поскольку дизели делались не реверсивными. В 1903 - 1904 гг. Сормовским судостроительным заводом были построены речные суда - электроходы «Вандал» и «Сармат», у которых для привода гребных винтов на переднем ходу применялись дизели, а для привода винтов на заднем ходу - электродвигатели.Дальнейшему развитию гребных электрических установок способствовало создание систем многофазного переменного тока и быстрое развитие электрического привода. Уже в том же 1903г. Россия получила трехвинтовой танкер, построенный в Швеции, с гребной установкой, состоящей из трех дизель - генераторов и трех гребных электродвигателей. Гребные электрические установки стали применяться на судах и кораблях всех типов. В 1904 - 1907 гг. появились канонерские лодки типа «Шквал» . В 1913 г. В Англии было построено судно с гребной электрической установкой переменного тока, состоящей из двух дизель - генераторов и асинхронного гребного электродвигателя. В США вошел в строй углевоз «Юпитер» с турбоэлектрической установкой переменного тока. В последующие довоенные годы за рубежом было построено значительное количество кораблей и судов: линкоров, авианосцев, крейсеров, танкеров и других с электрической передачей энергии от первичных двигателей к движителю. В советском союзе первый электроход - танкер «Генерал Ази- Асланов» - был построен в 1950 г. В последующие годы как результат общего подъема народного хозяйства было построено большое количество судов - электроходов различного назначения. В 1953 - 1963 гг. вступили в эксплуатацию сухогрузные суда ледового плавания типа «Лена» ( серия из 6 судов, построенная в Голландии); в 1954 - 1957 гг. были построены в финляндии ледоколы типа «Капитан Белоусов»; в 1956 - 1958 гг. на отечественных заводах были построены серии сухогрузных судов типа «Днепрогэс», рефрежераторных судов типа «Актюбинск» и китобойных судов типа «Мирный». В 1960 г. Вошел в эксплуатацию первый в мире атомный ледокол «Ленин». В проектировании гребных электрических установок принимали участие многие крупные советские ученые и инженеры: основоположник теории гребных электрических установок - заслуженный деятель науки и техники, д-р техн. наук, проф. В.И. Полонский, член - корр. Академии наук СССР , проф. А.Е. Алексеев, профессора В.Т. Касьянов и Б.И. Норневский, д-р техн. наук , проф. Н.М. Хомяков и другие.
2.1 Схема управления ГЭУ и ее описание
Энергетические установки, в которых мощность от главных двигателей передается к гребным винтам с помощью электропередачи, принято называть гребными электрическими установками (ГЭУ). Электрическая передача позволяет обеспечить выполнение одного из основных требований, предъявляемых к энергетической установке землесоса - обеспечить высокую маневренность. Рассматриваемый проект землесоса приводится в движение тремя гребными электродвигателями постоянного тока «GRCU7142 STROMBERG» мощностью по 400 КВТ каждый. В качестве гребной электроустановки используется ГЭУ переменно-постоянного тока, силовая часть которой состоит из управляемых выпрямителей. В системе используются тиристоры типа SCR.
Гребная электроустановка состоит из трех одинаковых тиристорных преобразователей, силовая часть которых выполнена по трехфазной мостовой схеме выпрямления, а для питания обмотки возбуждения электродвигателя предусмотрена также трехфазная реверсивная мостовая схема выпрямления. Применение тиристорных выпрямителей в силовой цепи и для питания обмотки возбуждения вызвана использованием при регулировании скорости закона постоянства мощности. При работе ГЭУ в режиме хода земснаряда характеристика гребного винта соответствует характеристике в свободной воде, а при работе землесоса на прорези гребные винты работают по характеристике, близкой к швартовой, что и обуславливает работу тиристорного преобразователя при регулировании угловой скорости электродвигателей, вращающих гребные винты, либо с полным магнитным потоком, когда изменяется только напряжение якоря, либо при постоянном напряжении якоря при изменяющимся магнитным полем при работе ГЭУ в режиме свободной воды. Использование закона постоянства мощности вызвано еще ограниченной мощностью судовой энергосистемы, для которой нежелательны значительные колебания нагрузки.
Для реализации закона регулирования угловой скорости по постоянству мощности электродвигателя в систему управления тиристорным электроприводом включены обратные связи по току якоря и току обмотки возбуждения, выходному напряжению тиристорного выпрямителя якорной цепи, обратной связи по угловой скорости электродвигателя. Так как силовая схема построена на трехфазном мостовом реверсивном выпрямителе, в схеме предусмотрено логическое переключающее устройство. Роль логического переключающего устройства (ЛПУ) заключается в необходимости при подаче команды на реверс в цепи выдержать бестоковую паузу, достаточную для полного запирания тиристоров и восстановления ими запирающих свойств.
При работе ГЭУ на характеристиках, близких к швартовой, регулирование угловой скорости обеспечивается изменением напряжения на выходе тиристорного преобразователя при полном магнитном потоке электродвигателя. При этом контролируется величина напряжения и тока силовой цепи. При переходе режима работы ГЭУ на промежуточные характеристики к характеристике в свободной воде регулируется выходное напряжение якорной цепи, ток якоря и напряжение обмотки возбуждения так, чтобы мощность, развиваемая электродвигателем, оставалась неизменной. Контроль тока возбуждения выполняет еще и функцию защиты от работы электродвигателя при недопустимом низком магнитном поле.
Ток якоря электродвигателя также ограничивается по своему максимальному значению, обусловленному допустимым по условиям коммутации током на коллекторе. Это реализуется с помощью определителя максимальной величины, который, при достижении сигнала обратной связи по току максимального значения, увеличивает напряжение на выходе, что приводит к увеличению угла управления тиристорами на выходе СИФУ (система импульсно-фазового управления) и уменьшению выходного напряжения тиристорного преобразователя и тока якоря.
Определение мощности, с которой работает электродвигатель, происходит в множителе, на вход которого приходят сигналы обратных связей по току якоря и выходному напряжению преобразователя. В функции определенного значения мощности и происходит регулирование напряжения якоря и напряжения обмотки возбуждения.
Применение реверса тока в обмотке возбуждения вызвано следующими причинами: - величина тока возбуждения несравненно мала по сравнению с током якорной цепи, следовательно в цепи возбуждения используются тиристоры на меньшие токи, что уменьшает стоимость установки;
- в рассматриваемой системе реверс самого судна много больше реверса электродвигателей, что позволяет пренебречь временем реверса тока в обмотке возбуждения, которое превышает время реверса тока якоря.
2.2 Недостатки двигателей постоянного тока и системы тиристорного управления
Существенным недостатком машин постоянного тока, во-первых, является их значительно более сложная конструкция, чем машин переменного тока, во-вторых, высокая стоимость, причем не только изготовления, но и обслуживания, в-третьих, наличие щеточно-коллекторного узла (Рис 2.). Щеточно-коллекторный узел существенно снижает надежность и межремонтный срок службы. При повышенной температуре щетки набухают, а при низкой температуре крошатся. Процесс коммутации часто сопровождается искрением на коллекторе. Сильное искрение может перейти в круговой огонь. Искрение может быть вызвано вибрацией, изменением геометрической формы коллектора (эллипсностью), плохой стяжкой пластин, шероховатостью его поверхности и выступания слюдяных изолирующих прокладок над пластинами. Искрение и круговой огонь может возникнуть даже при неправильном подборе щеток, их неправильной расстановки или слишком слабого нажатия на коллектор.
Рисунок 2.- Щеточно-коллекторный узел.
2.2.1 Недостаток системы «управляемый выпрямитель - двигатель»
Недостаток системы «управляемый выпрямитель - двигатель» - низкий коэффициент мощности при пониженном выходном напряжении. Кроме того, изза пульсаций напряжения возникают пульсации тока, что ухудшает работу двигателя: возрастают потери, ухудшается коммутация и т. д. Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Гармонические искажения и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.
2.2.2 Проблемы создаваемые гармониками
Дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;
Ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;
Наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;
- гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;
Тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).
2.2.3 Форма кривой тока
Гармоники - это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты (см. рис. 2.), таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.Гармоники - есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения. Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.
Вывод
В данном дипломном проекте рассмотрен вариант модернизации электропривода земснаряда.
Сделаны необходимые, для осуществления модернизации, выводы и расчеты, результаты которых показали что новая система ПЧ - Двигатель, намного предпочтительней по сравнению с ранее существующей системой.Данная система управления полностью удовлетворяет требованиям предъявленным к электроприводу судна.
Экономический расчет показал, что модернизация электропривода целесообразна, как со стороны окупаемости, так и экономического эффекта. двигатель тристорный земснаряд электропривод
Список реферативно используемой литературы
1. Российский Речной Регистр. Правила в 4 т./ отв. за выпуск В.Т. Огарков. - М.: По волге,2002. - 424с.
2. Копылов, И.П. Справочник по электрическим машинам : в 2 т - М: Энергоатомиздат :1987 - 453с.
3. Чиликин, М.Г. Общий курс электропривода: учебное пособие для вузов / М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер; под общей редакцией П.Е. Сандлера - 6е изд. - М: Энергоиздат, 1981 - 570с.
4. Ключев, В.И. Теория электропривода: учебное пособие для вузов / В. И. Ключев - М: Энергоатомиздат, 1985- 560с.
5. ГОСТ 2.105 - 95. Межгосударственный стандарт. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам. [Текст]: Взамен ГОСТ 2.105 - 79, ГОСТ 2.906 - 71. введ. 1996 - 07 - 01 . - Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации; М.: Изд. - во стандартов, 2-2. - 26 с.
6. Александров, К.К. Электрические чертежи и схемы. / К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 285 с.
7. ГОСТ 2.710 - 81 [СТ СЭВ 2182 - 80]. Обозначения буквенно - цифровые в электрических схемах. - М.: Изд. - во стандартов, 1985. - 13 с.
8. ГОСТ 2.722 - 68 [СТ СЭВ 655 - 77]. Обозначения условные графические в схемах. Машины электрические. - М.: Изд - во стандартов, 1988. - 85 с.
9. Федоров, А.А. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: учеб. пособие / А.А Федоров, Л.Е. Старкова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 368 с.
10. Овсянников А.С. Метод. указания по эконом. обосн. дипломных проектов для студ. электромех. спец./ А.С. Овсянников - Новосибирск: НГАВТ, 1989 - 39 с.
11. Володина О.А. Метод. указания по вып. эконом. расч. в дипл. проект. студ. судомех. /О.А. Володина - Новосибирск: НГАВТ, 2006 - 37 с.
12. Егоров В.Г. Основные требования к оформлению курсовых и дипломных проектов. [Текст]: учеб. пособие - / В.Г. Егоров, А.Е. Клопотной, И.Г. Мироненко. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. - 40 с.
13. Устройство плавного пуска электродвигателей Софт - стартер/ www.softstarter.ru
14. Моделирование в MATLAB/ www.expanenta.ru
15. Бурянина, Н.С. Методические указания к курсовой работе по курсу «Теория электропривода»/ Д.Ф. Зенков, Н.С. Бурянина. - Новосибирск: НГАВТ, 1988 - 39с.