Здравия желаю, товарищи!
Рад представить Вашему вниманию третью часть трилогии статей по судовым валогенераторам, которая будет посвящена такой их категории как PTO/CFE.
Эти валогенераторы набирают все большую популярность на морских (и даже речных) судах.
Первую часть Вы можете прочитать по этой ссылочке:
Вторую часть Вы можете прочитать по этой ссылочке:
Что значит РТО и какие режимы работы судовых валогенераторов бывают Вы можете прочесть по этой ссылочке:
1. CFE: Constant Frequency Electrical.
Как и валогенераторы системы RCF (Renk), CFE валогенераторы способны вырабатывать электроэнергию с постоянной электрической частотой в широком диапазоне оборотов главного двигателя.
Но если в валогенераторах RCF для стабилизации частоты тока и напряжения генератора при переменной частоте вращения гребного вала между гребным валом и валом самого генератора устанавливают специальный редуктор RENK, автоматически поддерживающий частоту вращения вала генератора постоянной, то в CFE валогенераторах чаще всего (DMG) вообще нет никакой необходимости в каких либо редукторах или гибких муфтах (куплингах).
CFE - это чаще всего большой низкооборотный генератор переменного тока, ротор которого установлен непосредственно на коленчатом валу главного двигателя, а корпус статора прикручен болтами к переднему торцу двигателя.
При переменной частоте вращения главного двигателя, электрическая энергия с генератора также вырабатывается с переменной частотой. А затем преобразуется с помощью преобразователя частоты в электрическую энергию с постоянной частотой и подается на шины ГРЩ.
Применение преобразователей частоты на валогенераторных установках (далее просто ВГУ) расширяет функциональные возможности ВГУ, позволяет ВГУ работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.
Чаще всего, устройство такого ВГУ состоит из:
- синхронного генератора переменного тока
- преобразователя частоты
- и еще одного ВАЖНОГО устройства "СК", о котором мы поговорим чуть ниже.
2. Диапазон мощности.
Сразу нужно сказать тут про некоторые, так скажем, рабочие характеристики CFE валогенераторов. В диапазоне от 70 до 100 % от номинальной частоты ВГ может работать с номинальной нагрузкой. Однако, с уменьшением частоты вращения ГД ниже этого диапазона мощность валогенератора ограничивается. То есть надо понимать, что несмотря на использование преобразователей частоты, все равно есть какой-то рабочий диапазон частоты вращения, при котором возможна нормальная работа валогенератора.
При достижении 30 – 40 % от номинальной частоты, ВГУ вообще выводится из работы. При частоте вращения валогенератора ниже 30 – 40 % происходит его отключение системой управления электростанцией (Power Management System), но при этом система PMS сначала запускает резервный вспомогательный дизель-генератор (если судовая электростанция получала электроэнергию только от ВГ), переводит всю нагрузку с ВГ на него и только после этого отключает валогенератор. Все это чтобы предотвратить обесточку судна.
Все мы знаем, что активная мощность, вырабатываемая генератором, зависит от частоты вращения n и электромагнитного момента M:
P = M * n.
Поэтому, снижение частоты вращения ВГ приведет к пропорциональному снижению генерируемой мощности. Для поддержания постоянства мощности необходимо увеличить электромагнитный момент ВГ, форсируя магнитный поток генератора обратно пропорционально снижению частоты (форсировать возбуждение генератора). Но и тут форсировка не может быть бесконечной, как Вы понимаете.
В итоге, в общем случае имеем вот такой график:
Линия 2 на графике показывает, что ограниченное время возможна работа ВГ с мощностью, несколько превышающей допустимую для данной частоты. Например, при частоте 105% от номинальной. Но кратковременно.
3. Преимущества CFE валогенераторов.
Итак, использование валогенераторов с преобразователями частоты позволяют нам использовать ВГУ в следующих режимах работы:
– автономный генераторный режим (одиночный режим работы);
– параллельно с вспомогательными дизель-генераторами (ВДГ);
– автономный двигательный (ВГ в режиме двигателя работает на гребной вал);
– двигательный совместно с главным двигателем (ГД).
В ходовых режимах судна валогенераторы, чаще всего, работают автономно, полностью обеспечивая общесудовые потребители электроэнергией. Я работал на судне с CFE валогенератором всего один контракт, но использовали мы его именно в автономном одиночном режиме на длинных переходах. Вышли из порта, вывели главный двигатель на номинальный режим, перешли с ВДГ на валогенератор и питались до конца перехода только от него.
Но вот именно тут надо сразу рассказать о том третьем компоненте валогенераторной установки с преобразователем частоты, который мы выше обозначили как "СК".
Что же такое "СК"???
Позвольте мне тут сделать небольшое отступление, которое, наверное, определенными людьми будет воспринято... не по-доброму, так скажем. Но сказать об этом надо, ведь нужно, чтобы в итоге была проделана работа над ошибками.
В 2023 году Севастопольский государственный университет выпускает вот такую методичку для своих курсантов и студентов:
В январе 2024 года в мессенджере у меня случается переписка с одним из их курсантов, который спросил у меня про CFE валогенераторы, прочитав перед этим мои предыдущие две статьи. И в нашей переписке он спрашивает:
- А как выглядит синхронный КОНДЕНСАТОР? У Вас не осталось фото с судна?
Я опешил и наша переписка дальше приобрела примерно такой вид:
Я: Какой еще СИНХРОННЫЙ КОНДЕНСАТОР???
Курсант (К): Синхронный КОНДЕНСАТОР.
Я: Может синхронный КОМПЕНСАТОР?
К: Нет, КОНДЕНСАТОР.
Я: Кто тебе такое сказал вообще? Есть конденсаторы для компенсации реактивки, да, но, блин, СИНХРОННЫЙ КОНДЕНСАТОР - это, хз, что вообще? Лично я не знаю.
К: Сейчас я Вам пришлю методичку нашей академии.
И присылает мне вышеупомянутую методичку. И что я там вижу??
Я сначала подумал, что опечатались, с кем не бывает. Но потом начал читать дальше:
Уважаемые составители этой методички! Мое имя Алишер Ешимбетов, я не профессор, не доцент и не какой-то там кандидат наук, но я прошу Вас, как действующий, можно сказать практикующий, электромеханик с опытом уже 15 лет, исправить эти ошибки. Со всем уважением к Вам. Но это не КОНДЕНСАТОР, а СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР В ВИДЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Так вот, третий компонент есть ни что иное как СИНХРОННЫЙ КОМПЕНСАТОР в виде синхронного электродвигателя. Зачем он тут???
Работа судовой системы электроснабжения характеризуется потреблением электроприемниками реактивной мощности. Ассинхронные электродвигатели на всевозможных механизмах типа насосов, компрессоров, вентиляторов, а также трансформаторы и тд - всем этим потребителям необходима реактивная мощность. При чем они не только ее потребляют от источника, но и отдают ему обратно - происходит циркуляция реактивной мощности между источником и потребителем. ЦИРКУЛЯЦИЯ, ага, именно так.
Так вот, выпрямитель в частотном преобразователе априори не может пропустить реактивную мощность от валогенератора дальше к потребителям. Дада, никакой реактивки от самого валогенератора частотник в сеть не пропустит.
Но многие коллеги скажут:
- Алишер, а как же работают ассинхронные электродвигатели с частотными преобразователями, например, в электроприводах насосов переменной производительности? Ведь для АД нужна реактивка как ни крути!
Да, для работы ассинхронного электродвигателя просто необходима реактивная мощность, которая будет циркулировать между ним и источником электроэнергии. В рамках этой статьи я могу Вам написать лишь кратко, что реактивная мощность в этом случае циркулирует между АД и конденсатором частотного преобразователя, который стоит как фильтр в промежуточной цепи постоянного тока (DC Link). И на эту тему написаны целые научные работы компанией VACON и Danfoss в разрезе их частотных преобразователей.
Но одно дело, когда от частотника питается один ассинхронник, а другое дело - вся судовая электростанция (а мощность того валогенератора, с которым я работал лично, составляла в номинале аж 2,5 МегаВатт).
При загрузке нашего ВГ в 65% (к примеру), активная мощность составит 1,6 МегаВатт. Если средний косинус Фи нашей судовой сети чаще всего был 0,75-0,80, то можно легко высчитать реактивную мощность, которая будет циркулировать между потребителями нашей судовой электросети и частотником валогенератора. Не буду вдаваться в расчеты и пифагоровы штаны, скажу только, что фильтр-конденсатор в частотнике скорее взорвется, чем сможет пропустить через себя столько реактивной мощности!
Вот тут то и нужен синхронный электродвигатель, который за счет регулирования тока возбуждения будет осуществлять генерацию реактивной мощности в судовую электрическую сеть. И называется он СИНХРОННЫМ КОМПЕНСАТОРОМ, а не конденсатором.
И даже если на какой-то блок схеме он не будет изображен как например здесь:
То на практике он где-то всегда будет стоять рядом с валогенератором и частотным преобразователем.
Но чаще всего его обязательно показывают:
В ВГУ с синхронным валогенератором и преобразователем частоты возможен режим параллельной работы ВГ и ВДГ. При том активная мощность распределяется между валогенератором и вспомогательным дизель-генератором (дизель-генераторами), а реактивная - между компенсатором и ВДГ.
С целью снижения расхода топлива и себестоимости вырабатываемой электроэнергии, распределение активной нагрузки между ВГ и ВДГ производится непропорционально их мощностям. При экономичном режиме ВГ нагружается на максимально возможную мощность, остальную нагрузку принимает ВДГ. При этом нагрузка на ВДГ не должна быть ниже предельно допустимой для дизеля, чтобы не гонять его прям совсем без нагрузки.
Одним из достоинств CFE валогенераторов является возможность реализации двигательного режима работы. При этом ВГ может работать в качестве гребного
электродвигателя (ГЭД) автономно или совместно с ГД. В первом случае ВГ может обеспечивать аварийный ход судна (так называемый режим «Power Take Home», или «PTH»). Совместная работа с ГД на винт используется
для увеличения скорости судна и компенсации колебания момента нагрузки.
Двигательный режим работы ВГ может быть реализован при использовании обратимого преобразователя частоты.
4. Преобразователь частоты.
Кратенько поговорим о том, какие преобразователи частоты используются в CFE валогенераторах. Наибольшее применение нашли преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Блок схема такого преобразователя выглядит следующим образом:
Состоих он из трех, как Вы можете видеть, основных частей:
1. Выпрямитель.
2. Звено постоянного тока с фильтром (LC).
3. Инвертор.
В выпрямителе производится преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока с выпрямленным напряжением и током. В инверторе преобразовывают энергию постоянного тока в энергию переменного тока, но уже с новыми, регулируемыми значениями частоты и амплитуды напряжения и тока.
Более подробно об их работе Вы можете прочитать в их руководствах от компаний ABB, Danfoss, Vacon и др. Эти руководства можно найти на моем телеграм-канале.
К сожалению, принцип работы и устройство таких преобразователей частоты просто невозможно описать в одной статье, да даже в нескольких - это огромный пласт информации. Но мануалами я с Вами совершенно бесплатно готов поделиться на своем телеграм-канале!
5. Использованная литература.
1. Григорьев А. В. Современные и перспективные судовые валогенераторные установки: монография / А. В. Григорьев, В. А. Петухов. — СПб.: Изд-во ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2009.
2. Григорьев А. В. Судовые комбинированные пропульсивные установки / А. В. Григорьев // Морскойфлот. — № 2. — 2013.
3. Григорьев А. В. Судовые валогенераторные установки нового поколения на базе обратимых полупроводниковых преобразователей / А. В. Григорьев, Р. Р. Зайнуллин // Морской вестник. — 2013.
6. Полезные ссылки.
Ну и по традиции, в конце каждой статьи будут полезные ссылки:
Наш телеграм-чат электромехаников:
Царь-ссылка на весь медиа-контент канала ШАРАПОВ МЕХАНИК:
*****
BRGDS,
Alisher K. Eshimbetov.
Electro-Technical Officer (ETO).