SVEUČILIŠTE U RIJECI POMORSKI FAKULTET Posebni program obrazovanja – brodostrojarstvo
BRODSKI ELEKTRIČNI SUSTAVI
Sadržaj 1.
Utjecaj uvjeta broda na električne uređaje i propisi ..............................................................1 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.
Klimatski uvjeti i uvjeti brodske okoline .......................................................................1 Vibracije, mehanička otpornost i promjena nagiba ......................................................2 Autonomnost i veličina brodskih električnih sustava ..................................................3 Elektromagnetska kompatibilnost .................................................................................3 Propisi za brodsku električnu opremu ..........................................................................4
1.5.1. Propisi klasifikacijskih ustanova s obzirom na kvalitetu električne energije brodske mreže..........................................................................................................................4 2.
Elektroenergetski sustav broda ..............................................................................................5 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.
3.
Značaj brodskog elektroenergetskog sustava ...............................................................5 Podsustavi brodskog elektroenergetskog sustava........................................................5 Bilanca električne energije i određivanje snage električne centrale.............................5 Optimiranje električne centrale ......................................................................................6 Izbor napona ....................................................................................................................7
Izvori električne energije na brodu ........................................................................................8 3.1.
Generatori ........................................................................................................................8
3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.2.
Napajanje s kopna ......................................................................................................... 11
3.2.1. 4.
Generator za nuždu ...................................................................................................... 13 Akumulatorske baterije ................................................................................................ 13 Besprekidno napajanje .................................................................................................. 16
Osovinski generatori ............................................................................................................. 17 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.
6.
Visokonaponski kopneni priključak (Cold Ironing)............................................... 12
Uređaji za napajanje u nuždi ................................................................................................ 13 4.1. 4.2. 4.3.
5.
Dizel generatori ...........................................................................................................8 Turbo generatori ....................................................................................................... 11 Lučki generator ......................................................................................................... 11
Osovinski generatori ..................................................................................................... 17 Osovinski generator na brodu s brodskim vijkom s prekretnim krilima (CPP)....... 18 Osovinski generator spojen preko varijatora (Con-Speed) ........................................ 19 Osovinski generator sa statičkim pretvaračem frekvencije........................................ 19 Pomoćna propulzija ...................................................................................................... 20
Paralelni rad generatora ........................................................................................................ 21 6.1. 6.2.
Sinkronizacija ................................................................................................................ 21 Raspodjela djelatne snage ............................................................................................. 23
6.2.1.
Karakteristike regulacije frekvencije f(P)................................................................. 24 ii
6.2.2. 6.2.3. 6.3. 7.
Raspodjela djelatne snage [kW] između dva generatora ....................................... 24 Raspodjela djelatne snage [kW] između dizel generatora i osovinskog generatora 25
Raspodjela jalove snage [kVAr] ................................................................................... 26
Razvod i razdioba električne energije na brodu.................................................................. 27 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5.
Neuzemljeni brodski električni sustav ........................................................................ 27 Uzemljeni brodski električni sustav............................................................................. 28 Sheme razvoda brodske električne mreže ................................................................... 29 Sabirnice ......................................................................................................................... 31 Rasklopne ploče............................................................................................................. 31
7.5.1. 7.5.2. 7.6. 8.
Glavna rasklopna ploča ............................................................................................ 32 Rasklopna ploča za napajanje u nuždi .................................................................... 32
Brodska kabelska mreža ............................................................................................... 33
Sklopni uređaji ....................................................................................................................... 34 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5.
9.
Prekidači ........................................................................................................................ 34 Sklopke........................................................................................................................... 34 Rastavljači ...................................................................................................................... 35 Sklopnici i releji ............................................................................................................. 35 Osigurači ........................................................................................................................ 36
Brodski elektromotorni pogoni ............................................................................................ 37 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8. 9.9.
10. 10.1. 10.2. 11. 11.1. 11.2. 12. 12.1. 12.2. 12.3. 13.
Podjela brodskih elektromotornih pogona.................................................................. 37 Elektromotorni pogoni brodskih pumpi ..................................................................... 38 Elektromotorni pogoni brodskih ventilatora .............................................................. 39 Elektromotorni pogoni kompresora ............................................................................ 39 Elektromotorni pogon kormilarskog uređaja ............................................................. 39 Elektromotorni pogon sidrenog vitla .......................................................................... 40 Elektromotorni pogon priteznog vitla ......................................................................... 40 Elektromotorni pogoni bočnih porivnika.................................................................... 40 Elektromotorni pogoni brodskih dizalica ................................................................... 41 Brodska električna rasvjeta ............................................................................................... 42 Izvori svjetlosti .............................................................................................................. 42 Fluorescentne lampe ..................................................................................................... 43 Zaštite električnih uređaja broda ..................................................................................... 45 Vremensko-strujne t(I) karakteristike zaštitno sklopnih aparata ............................. 46 Selektivna zaštita od kratkog spoja.............................................................................. 47 Sigurnost ............................................................................................................................ 49 Opasnost od eksplozije ................................................................................................. 49 Statički elektricitet ......................................................................................................... 51 Zaštita od električne struje............................................................................................ 52 Primjena visokog napona na brodu i procedure za rad s visokim naponom ............... 54 iii
13.1. 14.
Ispitivanje izolacije i spojeva na VN uređajima .......................................................... 56 Električni poriv broda ....................................................................................................... 57
14.1. 14.2. 14.3.
Potpuno integrirani elektroenergetski sustav ............................................................. 57 Eksploatacijske povoljnosti električne propulzije ....................................................... 57 Propulzijski elektromotori ............................................................................................ 60
14.3.1. 14.3.2. 14.3.3. 14.4.
Asinkroni kavezni motori: ................................................................................... 61 Sinkroni motori s uzbudnim namotajima: .......................................................... 62 Sinkroni motori s permanentnim magnetima:.................................................... 63
Propulzijski pretvarači frekvencije .............................................................................. 64
14.4.1. 14.4.2. 14.4.3.
Sinkrokonverter: ................................................................................................... 64 Ciklokonverter ...................................................................................................... 65 Širinsko impulsno modulirani (ŠIM) pretvarači frekvencije ............................. 66
iv
1. Utjecaj uvjeta broda na električne uređaje i propisi Pred brodske električne uređaje i sustave postavljaju se daleko stroži zahtjevi u odnosu na uređaje iste ili slične namjene, koji su predviđeni za rad u kontroliranim uvjetima kakve nalazimo u većini kopnenih sistema (industrija, kućanstva, škole, bolnice, itd, …). Takvi zahtjevi u prvom redu proizlaze iz potrebe sigurnosti i sprječavanja neželjenih posljedica po posadu i putnike, a određeni su specifičnostima brodskih uvjeta eksploatacije od kojih su najvažniji:
1.1.
klimatski uvjeti i uvjeti brodske okoline vibracije, mehanička otpornost i promjena nagiba autonomnost i veličina brodskih električnih sustava elektromagnetska kompatibilnost propisi i zahtjevi klasifikacijskih ustanova (registra)
Klimatski uvjeti i uvjeti brodske okoline
Klimatski uvjeti u kojima se brod nalazi, konstantno se mijenjaju s obzirom na zonu plovidbe, godišnja doba i doba dana. To uzrokuje učestale promjene temperature zraka i mora, vlažnosti i saliniteta. Najnepovoljnijim uvjetima okoline izloženi su uređaji na otvorenim dijelovima palube broda, te oni često moraju zadovoljavati dodatne strože zahtjeve, pogotovo što se tiče zaštite od vlage. Temperatura okoline kojoj je izložena električna oprema na brodu može se kretati od -25°C do +45°C na palubi, a u nekim dijelovima strojarnice i do 60°C. Pri odabiru električne opreme u fazi projektiranja broda obično se računa sa temperaturom okoline od 45°C, a iznimno i 50°C ako je brod predviđen za stalnu plovidbu u tropskoj zoni[1]. Kako je najveća dopuštena radna temperatura elektro motora određena klasom izolacije, na brodovima se u pravilu koriste motori s višim klasama izolacije, odnosno klase F i H (tablica 1). Kod proračuna maksimalne radne temperature motora uzima se referentna vrijednost temperature okoline od 40°C. Tablica 1. Dopuštene radne temperature električnih uređaja s obzirom na klasu izolacije prema NEMA (National Electrical Manufacturers Association) standardu Klasa izolacije
Maksimalna radna temperatura (°C)
A B F H
105 130 155 180
Dozvoljeni porast temperature (100% opterećenja) 60 80 105 125
Relativna vlažnost na palubi broda može iznositi i do 98% pri temperaturi od 25°C, a u unutrašnjosti broda od 40-70%, dok sadržaj morske soli može dostići razinu od 5mg/m3 [2]. Sol, vlaga i kondenzacija povećavaju koroziju metalnih dijelova električnih uređaja i slabljenje izolacije zbog stvaranja vodljivih slanih naslaga, te gljivica i pljesni na vlažnim dijelovima. Brodski električni uređaji moraju ispravno obavljati svoju funkciju pri relativnoj vlažnosti zraka [1]:
1
75 ± 3% pri temperaturi 45 ± 2°C 80 ± 3% pri temperaturi 40 ± 2°C 95 ± 3% pri temperaturi 25 ± 2°C
Električni uređaji koje se nalaze u prostoru strojarnice, pogotovo u blizini dizel motora izloženi su atmosferi sa povećanim udjelom uljnih čestica (3-20 mg/m3) koje se skupa sa prašinom i čađom talože na kućištima i izolaciji, te mogu izazvati negativne efekte kao što je pojava puzajućih struja i povećano zagrijavanje[2].
1.2.
Vibracije, mehanička otpornost i promjena nagiba
Izvor vibracija na brodovima su u prvom redu glavni i pomoćni dizel motori, bočni porivnici, propeleri, kompresori, elektromotorni pogoni i pumpe, te u manjoj mjeri palubna mehanizacija. Spektar frekvencija na kojima se vibracije javljaju, kao i njihova prostorna raspodjela mogu biti vrlo složeni. Elastičnost konstrukcije broda u velikoj mjeri pogoduje njihovom širenju, a česta je pojava rezonancije. Zbog toga je vrlo važno prilikom projektiranja broda u onoj mjeri koliko je to moguće predvidjeti kritična mjesta na kojima se vibracije mogu javiti i primijeniti odgovarajuće mjere zaštite na svim električnim uređajima i sklopnoj opremi. Kada su nam poznati izvori vibracija (a na brodu su to većinom rotirajući strojevi), njihovu pojavu možemo donekle spriječiti provođenjem odgovarajućih preventivnih mjera, od kojih su najčešće:
balansiranje rotirajućih dijelova korištenje specijalnih fleksibilnih spojki korištenje amortizera pri montaži motora na postolje izbjegavanje brzina vrtnje koje mogu dovesti do pojave rezonancije
Upravo zbog povećanih vibracija na brodu se moraju koristiti fleksibilni višežilni vodiči, kako ne bi došlo do njihovog pucanja na kritičnim mjestima. Sve kontakte koji su realizirani pomoću vijčanih spojeva potrebno je na odgovarajući način osigurati od samo odvrtanja. Ukoliko se za prijenos podataka i mjernih signala koriste optička vlakna, posebno je važno na pravilan način izvesti sve spojeve jer su upravo vibracije jedan od najčešćih uzroka slabljenja signala i smetnji. Pored otpornosti na vibracije, od brodskih električnih uređaja zahtjeva se da imaju i odgovarajući stupanj mehaničke zaštite, što uključuje otpornost na udarce, strana tijela, prašinu i vodu. Stupanj mehaničke zaštite označava se kraticom IP iz koje slijedi dvoznamenkasti broj. Prvi broj se odnosi na mehaničku zaštitu, a drugi na zaštitu od vode. Tako se npr. oznaka IP 20 koristi za uređaje predviđene za rad u suhim stambenim prostorima, dok uređaji koji mogu raditi pod vodom (uronjive pumpe i sl.) moraju imati oznaku IP 68. Prema pravilima registra, svi električni uređaji i komponente moraju biti dizajnirani tako da mogu besprijekorno obavljati svoju funkciju kod:
statički uvjeti: bočnog nagiba 15° i uzdužnog nagiba 5° dinamički uvjeti: bočnog ljuljanja ±22.5° i uzdužnog posrtanja ±7.5°, koji se mogu javiti istodobno
Električna oprema za napajanje u nuždi mora biti dizajnirana tako da u statičkim uvjetima zadovoljavajuće obavlja svoju funkciju pri bočnom nagibu od 22.5° i uzdužnom nagibu od 10°. Na brodovima za prijevoz ukapljenih plinova i kemikalija, napajanje za slučaj nužde mora pravilno raditi kod najvećeg krmenog nagiba od 30° pod uvjetom da paluba nije potopljena
2
Tablica 2. Oznake stupnja mehaničke zaštite (IP) IP 0 1
Prvi broj (mehanička zaštita) Bez zaštite > 50 mm (šaka)
0 1
2
> 8 mm (prst)
2
3 4 5
> 2,5 mm (alati) > 1 mm (žica) Zaštita od štetnog taloženja prašine
3 4 5
6
Potpuna mehanička zaštita
6 7 8
1.3.
Drugi broj (zaštita od vode) Bez zaštite Od vertikalnog kapanja Od vertikalnog kapanja do nagiba od 15° Od prskanja do 60° od vertikale Od štrcanja iz svih smjerova Od štrcanja u mlazu iz svih smjerova Od zapljuskivanja mora i jakih mlazova Od uranjanja do 1m dubine do 30 minuta Moguć trajni rad pod vodom
Autonomnost i veličina brodskih električnih sustava
Od brodskih električnih sustava zahtjeva se visoka autonomnost, odnosno sposobnost vršenja svoje funkcije u uvjetima neovisnosti od drugih sustava. Da bi se postigao čim veći stupanj autonomnosti potrebno je vrlo pažljivo sprovesti izradu bilance električne energije i pravilno dimenzionirati snagu izvora električne energije, u prvom redu glavnih brodskih generatora. Također, od uređaja se zahtjeva čim kvalitetnija izvedba a time i veća pouzdanost, što u konačnici vodi ka većoj raspoloživosti cijelog sustava. S elektroenergetskog stajališta, brodski električni sustavi spadaju u tzv. "male sisteme". U odnosu na kopnene sustave, zbog malih električnih vremenskih konstanti, brodski električni sustavi podložni su većim oscilacijama napona i frekvencije uslijed prijelaznih pojava. To je posebno izraženo kad startanja velikih kaveznih asinkronih motora, te kada su u sustavu prisutni nelinearni elementi većih snaga (pretvarači frekvencije, ispravljači). Izvori energije stoga se moraju projektirati prema prirodi trošila kako bi njihovi međusobni utjecaji bili čim manji.
1.4.
Elektromagnetska kompatibilnost
Elektromagnetska kompatibilnost (EC) je potvrda da uređaj zadovoljava zadane propise, na način da nema štetnog utjecaja na druge uređaje, odnosno da i sam nije osjetljiv na elektromagnetske interferencije unutar propisanih limita. Elektromagnetska interferencija (EI) je svaka elektromagnetska smetnja koja može poremetiti rad električnih i elektroničkih uređaja. Najčešći izvori elektromagnetskih smetnji su:
iskrenja (istosmjerni i kolektorski elektromotori, sklopke, …) atmosferska pražnjena nagle promjene napona i struje (ukapčanje i iskapčanje uređaja) uređaji energetske elektronike (harmonici i komutacijski propadi napona) odašiljači ( radio stanica, mobilni radio uređaji, …)
Elektromagnetske smetnje mogu se širiti vodičima (mrežom) i u obliku zračenja. Kako bi se one spriječile u čim većoj mjeri koriste se slijedeće metode:
3
1.5.
međusobno udaljavanje uređaja oklapanje uređaja prigušivanje smetnji filtriranje smetnji
Propisi za brodsku električnu opremu
Brodski električni uređaji moraju zadovoljavati propise koje nameću:
IEC (International Electrotechnical Comission) IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ISO (International Organization for Standardization) IMO (International Maritime Organization) – SOLAS (Safety Of Life At Sea) konvencija s amandmanima Klasifikacijske ustanove (HRB, DNV, Lloyd, ABS, …)
Klasifikacijski zavod kontrolira projektnu dokumentaciju, gradnju broda, ispitivanje i puštanje u pogon, te eksploataciju. Sva brodska oprema mora posjedovati atest odgovarajućeg registra.
1.5.1. Propisi klasifikacijskih ustanova s obzirom na kvalitetu električne energije brodske mreže Klasifikacijska su društva, na osnovi teoretskih istraživanja i praktičnih iskustava, donesla pravila koja propisuju najveća dozvoljena izobličenja napona u brodskoj mreži. U praksi to znači da svi električni uređaji moraju imati atest kojim se potvrđuje njihov besprijekoran rad pri proračunatim, odnosno izmjerenim THDu. Pored registara treba svakako spomenuti i preporuke dvije najznačajnije svjetske elektrotehničke organizacije IEEE i IEC, koje se kontinuirano i intenzivno bave izučavanjem kvalitete električne energije. Dozvoljena ukupna harmonička izobličenja napona (THDu) brodske mreže prema normama različitih klasifikacijskih ustanova prikazana su na slici 1. Kako se brodovi najčešće grade tako da zadovolje pravila svih najznačajnijih klasifikacijskih društava, najsigurnije je prilikom projektiranja elektroenergetskog sustava broda zahtijevati THDu ispod 8% na glavnoj razvodnoj ploči, a ispod 5% na ostalim naponskim nivoima, te napone pojedinih harmonika ispod vrijednosti propisanih od svih značajnih registara, bez obzira u koji će brod biti upisan.
4
2. Elektroenergetski sustav broda 2.1.
Značaj brodskog elektroenergetskog sustava
Bez električne energije brod ne može ostvariti niti jednu od svojih eksploatacijskih funkcija. Plovidba nije moguća jer ne rade:
glavni porivni stroj (pumpe: ulja, goriva, rashladne vode) kormilo pramčani i krmeni bočni porivnici
Prekrcaj tereta nije moguć jer ne rade:
pumpe tereta dizalice pomične rampe, pregrade, vrata balastne pumpe
Boravak na brodu nije moguć jer nema:
svijetla grijanja/hlađenja vode
Sigurnost broda je ugrožena jer ne rade:
2.2.
vatrodojava protupožarne pregrade protupožarne pumpe
Podsustavi brodskog elektroenergetskog sustava
Brodski elektroenergetski sustav može se podijeliti na četiri osnovna podsustava koja će biti zasebno obrađena u poglavljima koja slijede:
Proizvodnja (izvori) električne energije (El. centrala, generator za nuždu, akumulatorske baterije) Rasklop (Glavna rasklopna ploča, rasklopna ploča za nuždu, ploča rasvjete, MCC) Raspodjela i prijenos električne energije (kabelska mreža, razdjelnici snage i rasvjete Potrošnja električne energije (Elektromotorni pogoni, rasvjeta, grijači, …)
2.3. Bilanca električne energije i određivanje snage električne centrale Da bi elektroenergetski sustav broda u potpunosti mogao obavljati namjenu za koju je predviđen, s obzirom na uvjete eksploatacije i zahtjeve sa stanovišta sigurnosti i autonomnosti sustava, od ključne je važnosti precizno odrediti balansu snage električne energije. Ona u prvom redu omogućuje pravilno dimenzioniranje izvora električne energije, što u praksi nije uvijek lagan zadatak. Ukoliko su izvori poddimenzionirani, ograničavaju se tehničke mogućnosti broda, što može dovesti do zastoja pri eksploataciji u kritičnim
5
uvjetima. Ako je pak snaga električne centrala veće od stvarno potrebne, znatno se povećavaju početni investicijski troškovi, te kasniji eksploatacijski troškovi. Loš odabir broja i snage generatora najčešće se manifestira u eksploatacija kroz potrebu za radom većeg broja generatora od predviđenog, čime ni rade s relativno malim opterećenjem, što pak za posljedicu ima povećanu specifičnu potrošnju goriva i veći broj radnih sati (veće troškove održavanja). Najvažniji faktori koji utječu na ukupnu instaliranu snagu električne centrale broda su:
vrsta i namjena broda vrsta i snaga pogona vrsta i snaga pogona za pomoćne i palubne strojeve područje eksploatacije da li postoji potreba za budućom nadogradnjom brodskih sustava
Bilancom snage izračunava se približna trenutna potrošnja električne energije tijekom tehnoloških procesa eksploatacije broda:
navigacija manevar pretovar boravak na vezu (mirovanje) boravak na vezu (pretovar tereta)
Bilanca snage obuhvaća sva brodska trošila koja su zbog preglednosti i pojednostavljenja proračuna podijeljena u grupe npr: gospodarska potrošnja trošila u strojarnici rashladni uređaji prekrcajna sredstva i palubna oprema navigacijski uređaji električna propulzija rasvjeta Ove se grupe dalje dijele na podgrupe istovrsnih trošila koje čine pozicije u bilanci snage, npr. Kompresori zraka za upućivanje pumpe ulja glavnog stroja Kompresori za hlađenje tereta i pumpe goriva glavnog stroja klimatizaciju pumpe morske vode dizalice separatori Za bilancu snage je značajna električna snaga Pe koju uređaj uzima iz mreže a ne njegova nazivna snaga Pn koja je manja za stupanj korisnosti η. Još je važnije što bilanca snage uzima u obzir i faktor istovremenosti. Npr. glavni motor ima dvije pumpe ulja ali one nikada ne rade istovremeno pa je ukupna instalirana snaga 2Pe, ali uz faktor istovremenosti 0,5 stvarna je potrošnja Pe i to samo dok motor radi (navigacija i manevar). Na brodovima s snažnim pretvaračima frekvencije treba posebno voditi računa o jalovoj snazi.
2.4.
Optimiranje električne centrale
Broj i snaga generatora moraju prema Registru biti dovoljni da u slučaju kvara na jednom preostali budu dovoljni za funkcioniranje svih brodskih sustava. U pravilu se odabiru generatori jednakih snaga tako da u navigaciji jedan generator može pokrivati cjelokupnu potrošnju uz rezervu snage dovoljnu za upućivanje velikih trošila. Osovinski generator upravo iz tog razloga zna biti veće snage od ostalih.
6
Kod brodova s električnom propulzijom je obrnuti slučaj, jer se tamo zahtjeva da jedan generator može pokriti energetske potrebe broda tokom boravka u luci, dok je u navigaciji normalno da radi veći broj generatora. Upravo iz tog razloga, na brodovima s električnom propulzijom ponekad je boje rješenje ako svi instalirani generatori nisu jednake snage, čime se postiže veća fleksibilnost sustava. Jedan od osnovnih kriterija pri optimizaciji je taj da pogonski strojevi priključenih generatora u svim tehnološkim procesima eksploatacije rade u blizini optimalnog opterećenja odnosno minimuma krivulje potrošnje goriva što znači da predimenzioniranje nije poželjno. Treba ipak voditi računa i o smanjivanju snage dizel motora tijekom eksploatacije zbog čega on prije remonta više ne može dati nazivnu snagu.
2.5.
Izbor napona
Kod izbora napona brodske električne centrale svakako najveću ulogu ima veličina električnog sistema, odnosno ukupna snaga instaliranih trošila koja direktno utječe na veličinu struje kratkog spoja, kao najznačajnijeg čimbenika pri projektiranju i dimenzioniranju sklopnih uređaja i zaštita. Danas je još uvijek na brodovima najrašireniji trofazni izmjenični napon od 440 V/60 Hz i u manjoj mjeri 380 V/50 Hz. Porastom instalirane snage i gradnjom tehnički sve zahtjevnijih brodova sve se više prelazi na primjenu visokog napona. Standardne vrijednosti visokog napona na brodovima, pri frekvenciji od 60 Hz su: 3300V, 6600V i 11000V. Najčešći razlozi za korištenje visokog napona na brodu su:
Prevelika struja kratkog spoja kod niskog napona (struja kratkog spoja se smanjuje obrnuto proporcionalno naponu, a veća struja kratkog spoja zahtjeva korištenje skupljih prekidača) Smanjenje mase i volumena električne opreme Jednostavnije provlačenje i priključivanje kabela (tanji kabeli i manje priključne kutije) Povećanje stupnja korisnosti (gubici u bakru smanjuju se obrnuto proporcionalno kvadratu napona)
7
3. Izvori električne energije na brodu Izvore električne energije na brodu možemo podijeliti u tri osnovne vrste:
generatori akumulatorske baterije galvanski članci
Generatori su osnovni izvori energije na brodu. Svaki brod mora imati glavne generatore (uglavnom dizel-generatori, a rjeđe turbo-generatori pogonjeni parnim ili plinskim turbinama) i generator za nužnost. Neobavezno se ugrađuju: osovinski generator (pogonjen glavnim strojem), parni turbo-generator koji koristi paru iz KIP-a i lučki generator (manji dizel-agregat za rad kada brod miruje). Akumulatorske baterije se koriste u akumulatorskoj stanici za napajanje sigurnosne mreže 24V na koju su priključeni pomoćna rasvjeta, automatika, komunikacije, alarmni sustav... Na velikim putničkim brodovima akumulatori mogu u nuždi napajati istosmjerne mreže 110 ili 220V. Posebne akumulatorske baterije se koriste za pokretanje dizel-motora generatora za nužnost. Galvanski članci se koriste za napajanje ručnih prijenosnih uređaja (mjerni instrumenti, ručna radio stanica, baterijske svjetiljke, itd.).
3.1.
Generatori
Prema vrsti pogonskog stroja brodske generatore obično dijelimo na:
dizel generatore turbo generatore osovinske generatore
Snage brodskih generatora kreću se od nekoliko stotina kVA, pa sve do 18000 kVA na velikim putničkim brodovima koji su opremljeni dizel električnom propulzijom. Osim određenih specifičnosti koje su vezane stupanj mehaničke zaštite i načina smještaja, može se reći da su princip rada i konstrukcija brodskih generatora jednaki onima koji se koriste na kopnu. Izbor vrste generatora i broja pari polova određuje se prema vrsti pogonskog stroja.
3.1.1. Dizel generatori Sinkroni generator pogonjen dizelskim motorom je najviše zastupljen izvor energije na brodovima. Motori koji se danas koriste na za pogon brodskih generatora su najčešće srednjehodni ili brzohodni dizelski motori. Razlog tome prvenstveno leži u činjenici da su oni manji i jeftiniji od sporohodnih motori iste snage, kakvi se uglavnom koriste kod direktnog poriva. Osovine dizel motora i generatora uvijek se spajaju izravno, bez upotrebe reduktora. Najznačajnije prednosti dizel motora kao pogonskog stroja generatora su trenutna spremnost na rad, mogućnost kvalitetne regulacije brzine i visoka korisnost. Nedostaci su njihanje energije i pojava torzionih vibracija kao posljedice elastičnosti osovine, te neravnomjerni moment, koji je tim veći što je manji broj cilindara motora. Elektromehaničke oscilacije uzrokovane navedenim nedostacima mogu se ublažiti korištenjem prigušnog namota na generatoru. Potrebna brzina vrtnje dizel motora (tablica 1) u prvom je redu određena brojem pari polova korištenog generatora prema formuli
8
=
60 ∙
gdje je f frekvencija induciranog napona na stezaljkama generatora, a p broj pari polova generatora. Tablica 1. Brzine vrtnje dizel motora s obzirom na frekvenciju napona i broj pari polova generatora Broj pari polova generatora (p) n [okr/min], (f=50 Hz) n [okr/min], (f=60 Hz)
1
2
3
4
5
6
3000 3600
1500 1800
1000 1200
750 900
600 720
500 600
U praksi se, pogotovo kod većih snaga i uobičajene frekvencije brodske mreže od 60 Hz, najčešće koriste 10 ili 12 polni sinkroni generatori i srednjehodni dizel motori koji se vrte na 720, odnosno 600 okretaja. Moderni dizel motori iskorištavaju oko 40% energije sadržane u gorivu, što je vrlo velika korisnost u usporedbi s ostalim toplinskim strojevima, dok se ostatak gubi u obliku ispušnih plinova i topline. Efikasnost dizel motora znatno ovisi o opterećenju i vrlo brzo opada kada mu opterećenje padne ispod 50% nazivne vrijednosti. S padom opterećenja raste i specifična potrošnja kao što se može vidjeti iz dijagrama na slici 1. g/kWh 205 200 195 190 185 180 175 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100% P/Pn
Slika 1. Krivulja specifične potrošnje dizel motora u odnosu na opterećenje Pri malom opterećenju izgaranje smjese nije potpuno pa dolazi do stvaranja čađe, sumpornih (SOx) i dušičnih (NOx) spojeva, što za posljedicu ima povišene emisije štetnih plinova i povećanu potrebu za održavanjem. Upravo iz gore navedenih razloga, jako je bitno optimizirati sustav proizvodnje električne energije na taj način da generatori (bilo samostalno ili u paraleli) rade čim više u području optimalne iskoristivosti, tj. sa 60-90 % opterećenja. To se lakše postiže sa većim brojem generatora manjih snaga, ali ipak treba uzeti u obzir i povećane troškove instalacije i održavanja, veći broj nezavisnih sustava regulacije te činjenicu da dizel generatori manjih snaga imaju i manju korisnost. Obično se na trgovačkim brodovima kao optimalan broj generatora uzima 2-4, dok je na brodovima sa električnom propulzijom taj broj 4-6. Potrebna snaga pogonskog dizel motora određuje se prema nazivnoj snazi generatora, no u obzir treba uzeti i ostale parametre kao što su moguće torzione vibracije, broj okretaja, smjer vrtnje i način upuštanja. Posebno je važno dimenzionirati osovinu motora tako da izdrži mehanička opterećenja koja se mogu javiti uslijed kratkog spoja ili kod
9
pogrešne sinkronizacije. Pri konačnom odabiru dizel motora veliku ulogu imaju i propisi klasifikacijskih ustanova koje on mora zadovoljavati, te potreban stupanj automatizacije i zaštite. Kod sinkronih generatora sa nezavisnom uzbudom koji su pogonjeni dizel motorom, vrlo je lako izvesti međusobno nezavisne krugove regulacije broja okretaja i napona kao što je to prikazano na slici 2.
Slika 2. Nezavisna regulacija broja okretaja i napona dizel generatora
3.1.1.1 Pogonski dijagram dizel generatora Pogonski dijagram (slika 3) prikazuje dozvoljeno područje rada u P-Q (djelatna snaga – jalova snaga) koordinatnom sustavu.
Slika 3. Pogonski dijagram dizel generatora Nazivna snaga generatora je prividna snaga S koja obzirom da je napon konstantan ovisi o najvećoj dozvoljenoj statorskoj struji I2max. Kako je prema trokutu snage S2=P2+Q2 ova granica predstavlja kružnicu sa središtem u ishodištu koordinatnog sustava. Drugo ograničenje je najveća dozvoljena struja rotora (uzbudna struja) I1. Naime svaki porast opterećenja (potrošnje) treba kompenzirati adekvatnim povećanjem uzbudne struje kako bi se zadržao nazivni napon generatora i mreže. Obzirom da u slučaju induktivnog opterećenja generatora napon generatora pada više nego kod djelatnog opterećenja potrebna je kod jakog induktivnog opterećenja značajno veća struja uzbude. Pri tome bi bilo nerazborito predimenzionirati uzbudni namot generatora tako da može zadržati nazivni napon i kod pune nazivne (prividne) snage u slučaju opterećenja s izuzetno niskim cosφ koji bi bio niži od onoga predviđene potrošnje. Na brodu se zbog prevladavajućeg udjela asinkronih motora u potrošnji električne energije uobičajeno računa s cosφ=0,8. Nazivni cosφ sinkronog generatora je dakle najniži faktor snage potrošnje kod kojeg generator još uvijek može razviti svoju nazivnu snagu (Sn[kVA]). Na pogonskom dijagramu je nazivni cosφ označen kao
10
presjecište kružnica I2max i I1max . Ograničenja po maksimalnoj Pmax i minimalnoj Pmin djelatnoj snazi odnose se na pogonski stroj (dizel-motor), koji ne može dati veću snagu od predviđene niti trajno raditi s malim opterećenjem.
3.1.2. Turbo generatori Pored dizel motora, za pogon brodskih generatora također se mogu koristiti parne ili plinske turbine. Na brodovima su posebno rašireni tzv. utilizacijski turbogeneratori koji proizvode električnu energiju iskorištavanjem ispušnih plinova glavnog propulzijskog dizel motora. Ovisno o vrsti dizel motora i njegovoj korisnosti, utilizacijski turbogenerator (slika 4) može proizvesti električnu snagu u iznosu od 5-13% snage, povećavajući time znatno njegovu korisnost.
Slika 4. Blok shema utilizacijskog postrojenja sa turbogeneratorom Parne turbine:
slaba korisnost 23-27% 3000-10000 min-1 (potreban reduktor)
sporo stavljanje u pogon (predgrijavanje) lako održavanje
slaba korisnost 27-29% veliki broj okretaja (potreban reduktor)
Plinske turbine:
velika specifična snaga relativno brzo se stavljaju u pogon
3.1.3. Lučki generator Kada brod dulje vrijeme miruje (ne plovi niti prekrcava teret) potrošnja električne energije je relativno mala – premala za ekonomičan rad glavnog generatora koji bi morao raditi s manje od 25% nazivne snage, a to znači s većom specifičnom potrošnjom goriva i nepotpunim sagorijevanjem. Nekad su se dok je brod često danima čekao na prekrcaj koristili znatno manji lučki generatori kojima je snaga bila prilagođena takvoj smanjenoj potrošnji.
3.2.
Napajanje s kopna
Kada se brod nalazi u doku ne mogu mu raditi glavni generatori koji se posredno hlade s morem pa je najjednostavnije rješenje priključiti ga na napajanje s kopna. Postupak je sljedeći:
11
1) 2) 3) 4)
Isključiti postepeno svu potrošnju Isključiti automatiku centrale (prebaciti na ručno) Isključiti generatorski prekidač Onemogućiti start dizel-generatora; dovući i priključiti kabel s kopna na za to predviđeno mjesto (glavna razvodna ploča, ploča za nužnost ili priključna kutija na palubi); 5) Provjeriti frekvenciju, napon i redoslijed faza 6) Uključiti prekidač za napajanje s kopna.
3.2.1. Visokonaponski kopneni priključak (Cold Ironing) Ova tehnologija omogućuje brodovima koji borave u luci upotrebu električne energije iz nacionalne kopnene mreže putem visokonaponskih priključaka koji su smješteni direktno na operativnoj obali (slika 5).
Slika 5. Visokonaponski kopneni priključak (za kopnene mreže s frekvencijom 50 Hz) Nakon što se sabirnice glavne brodske rasklopne ploče sinkroniziraju i spoje s kopnenom mrežom, brodski dizel (ili turbinski) generatori mogu se zaustaviti, čime se količina emisija u luci praktički smanjuje na nulu. Pri prijelazu na napajanje s kopna i obrnuto ne smije doći do prekida napajanja za što se brinu ugrađeni sustavi nadzora i automatike.
12
4. Uređaji za napajanje u nuždi 4.1.
Generator za nuždu
Generator za nužnost je uvijek dizel generator. Nalazi se u nadgrađu broda uz ploču za nužnost. Uključuje se automatski kada nestane napona na glavnoj razvodnoj ploči. Uz osnovni automatski sustav pokretanja koji koristi elektropokretač, pneumatski motor ili startanje pomoću zraka ima osigurano i rezervno ručno pokretanje. Uvijek mora biti postavljen na automatsko upravljanje. Trošila koja napaja generator za nuždu:
rasvjeta za nuždu pozicijska, navigacijska i signalna svjetla radio i navigacijska oprema interne komunikacije protupožarni sustav
kaljužna pumpa za nuždu kormilarski uređaj automatika alarmni sustav
Generator za nuždu štiti se samo od kratkog spoja. Preopterećenje ne isključuje prekidač već samo daje alarm. Sustavi pokretanja generatora za nuždu su:
4.2.
elektropokretač sa vlastitom akumulatorskom baterijom i punjačom baterije komprimirani zrak u vlastitom spremniku hidraulički sustav ručno pokretanje
Akumulatorske baterije
Sastav i način rada: Akumulatori su reverzibilni izvori električne energije. Energija se dovodi iz brodske mreže preko punjača i skladišti zahvaljujući kemijskom procesu. Kod punjenja se električna energija pretvara u kemijsku energiju a kod pražnjenja obrnuto. Kapacitet akumulatorske baterije izražava se u Ah. Baterija od 100Ah može davati struju od 10 A kroz 10 sati. Nazivni napon baterije ovisi o broju članaka. Prema vrsti kemijskog procesa razlikujemo olovne akumulatore i čelične akumulatore. Punjenje i pražnjenje akumulatora: Akumulatori se pune iz punjača. Napon punjenja olovnih akumulatora standardno iznosi 2,4V po članku, ali suvremeni punjači mijenjaju napon punjenja u skladu s stupnjem napunjenosti akumulatora i temperaturom kućišta. Tako se ubrzava vrijeme punjenja, produljuje životni vijek i smanjuje obim održavanja (manji gubitak vode). Temperatura elektrolita pri punjenju ne smije preći 45°C. Baterije se pune dok je brodska mreža pod naponom, da bi se praznile napajajući priključene potrošača kada nestane napona mreže. Olovni akumulatori (slika 6) imaju olovne elektrode. Pozitivna elektroda je olovni dioksid PbO2, dok je negativna elektroda čisto olovo Pb. Elektrode su smještene u kućište od izolacijskog materijala napunjeno razrijeđenom sumpornom kiselinom H2SO4 koja služi kao elektrolit.
13
Slika 6. Presjek ćelije olovnog akumulatora Pri pražnjenju stvara se na obim elektrodama olovni sulfat PbSO4 koji se kod punjenja ponovno razgrađuje. Nazivni napon jednog članka je 2V. Napon punjenja je oko 2,4V. Najniži napon pražnjenja je oko 1,73 V. Gustoća sumporne kiseline kod punog akumulatora je 1,27 - 1,285 kg/l. Kod pražnjenja gustoća elektrolita pada. Stupanj napunjenosti pojedinog članka može se odrediti mjerenjem gustoće kiseline (slika 7) pomoću higrometra (bometra).
Slika 7. Određivanje stupnja napunjenosti baterije pomoću higrometra Alkalijski akumulatori (čelični, NiCd) Pozitivna elektroda sadrži nikal-3-hidroksid Ni(OH)3, a negativna kadmij Cd. Elektrolit je kalijeva lužina KOH. Kod pražnjenja pozitivna elektroda reducira u nikal-2-hidroksid Ni(OH)2, a negativna elektroda oksidira u kadmijev hidroksid Cd(OH)2. Kućište je od čelika. Nazivni napon jednog članka je 1,2V. Napon punjenja je 1,55V. Najniži napon pražnjenja 1,1V. Gustoća elektrolita novog akumulatora je 1,19 kg/l i polako pada sa starenjem akumulatora. Kada padne ispod 1,145 treba kompletno promijeniti elektrolit ili zamijeniti bateriju. Stupanj napunjenosti članka ne može se odrediti mjerenjem gustoće elektrolita. Alkalijski akumulatori su skuplji ali mehanički i električki izdržljiviji od olovnih. Imaju dulji životni vijek, mogu dugo stajati napunjeni bez potrebe za punjenjem.
14
Održavanje akumulatora:
Obavezno je koristiti zaštitnu opremu: naočale, gumene rukavice i radno odijelo. Provjera gustoće elektrolita i dolijevanje destilirane vode. Gornja površina mora se održavati čistom i suhom. Provjeravanje zategnutosti stezaljki (klema) i premazivanje istih vazelinom da se spriječi oksidacija kontakata. Zamjena neispravnih baterija (*pri zamjeni baterija trab posebno paziti da se, ako je neispravna baterija
Smještaj akumulatora: Akumulatori se smještaju u akumulatorsku stanicu koja mora biti dobro ventilirana kako bi eksplozivni plinovi koji se stvaraju tijekom punjenja (vodik), mogli nesmetano izaći. Akumulatorska stanica spada u opasne prostore. Police na koje se smještaju moraju biti zaštićene odgovarajućom bojom otpornom na elektrolit. Akumulatori moraju biti tako smješteni da se omogući njihovo lako povezivanje (što kraće i ravnije spojnice) i smanji na minimum mogućnost nastanka kratkog spoja. Punjač akumulatora i pripadajuća električna oprema ne smije biti u istoj prostoriji s akumulatorima. Alkalijski i olovni akumulatori ne smiju biti u istoj prostoriji. Primjena akumulatora: Akumulatori se koriste kao rezervni izvori energije za napajanje strujnih krugova koji moraju raditi i tijekom blackouta: dio rasvjete, komunikacije, alarmni sustav, automatika. Akumulatori se pune iz punjača dok je mreža pod naponom, a automatski preuzimaju napajanje u blackoutu. Također akumulatori se nekad koriste za startanje dizelmotora generatora za nuždu, a ponekad i manjih pomoćnih motora. Provjera ispravnosti akumulatora: 1.Provjera napona pri opterećenju je najpouzdaniji način ispitivanja akumulatora. Pojedina ćelija ili cijela baterija spajaju se na vilicu sa paralelno spojenim snažnim žičanim ili limenim otpornikom vrlo malog otpora i voltmetrom (slika 8) pri čemu poteče velika struja koja odgovara snazi baterije (cca 100A). Pokazivanje voltmetra mora ostati unutar normalnih granica (zeleno područje).
Slika 8. "Vilica" za provjeru napona akumulatora pri opterećenju.
15
2.Provjera gustoće elektrolita može se vršiti u radnom stanju. U bometar se pomoću vakuumske pumpice usiše dio kiseline iz ćelije. Ako je gustoća unutar zadanih granica ćelija je vjerojatno ispravna. 3. Provjera napona cijelog seta baterija je najmanje pouzdana ali i najjednostavnija metoda. Treba isključiti napajanje s mreže i tada mjeriti napon baterije koja u tom trenutku napaja priključenu potrošnju. Napon mora biti barem 2V po članku ( 2-2,1V) što znači da mora imati barem nominalni napon istosmjerne mreže koju napaja (24,110 ili 220V). Problem je što cijeli set baterija najčešće obuhvaća veći broj paralelno i serijski spojenih baterija. Paralelno spojene baterije ne mogu se pojedinačno ispitati bez odspajanja.
4.3.
Besprekidno napajanje
Na brodovima postoji čitaj niz električnih i elektroničkih uređaja koji su od ključne važnosti za sigurnost broda i posade, i od kojih se zahtjeva neprekidan rad čak i kod potpunog nestaka napajanja iz električne centrale ili generatora za nuždu. Potrošači koji zahtjevaju besprekidno napajanje su:
glavna razvodna ploča (kontrolni napon) navigacijska svijetla i rasvjeta za nuždu alarmi sustav protupožarni sustav sirena za maglu interni komunikacijski sustavi (telefonska centrala, telegraf, razglas)
Besprekidni izvori napajanja mogu raditi u kontinuiranom modu (slika 9a) ili u pričuvi (stand-by) (slika 9b).
Slika 9. Besprekidno napajanje: (a) kontinuirani mod, (b) u pričuvi (stand-by)
16
5. Osovinski generatori 5.1.
Osovinski generatori
Osovinski generatori (Shaft generator, PTO - Pover take off) su generatori koji nemaju vlastiti pogonski stroj već su privješen na glavni porivni stroj. Smisao ugradnje osovinskog generatora je smanjenje troškova proizvodnje električne energije na brodu. U početku, kada su gotovo svi brodski pomoćni motori koristili dizelsko gorivo (DO) najveća se ušteda ostvarivala upravo na razlici u cijeni dizelskog i teškog goriva (HFO). Pojavom i danas sustavnim korištenjem pomoćnih motora na teško gorivo, brodari su uglavnom prestali koristiti osovinske generatore, zanemarivši njihove ostale učinke na smanjenje troškova električne energije a to su višestruko smanjenje troškova održavanja pomoćnih motora zbog neusporedivo manjeg godišnjeg broja sati rada (koriste se samo kad osovinski generator nije u funkciji) i veći stupanj korisnosti glavnog porivnog stroja od stupnja korisnosti pomoćnih motora. Kao prednosti osovinskog generatora treba svakako dodati i mogućnost dobivanja izuzetno velike električne snage bez ugradnje pogonskih strojeva (dodatnih pomoćnih motora), posebice kad nema potrebe za porivom pa se teoretski cijela snaga glavnog porivnog motora može pretvoriti u električnu snagu za pogon npr. rashladnih kompresora ili pumpi tereta. Tako se dobiva lakša i jeftinija električna centrala. Kod srednjehodnih porivnih motora osovinski se generatori ugrađuju direktno na osovinski vod, na reduktor propulzije ili direktno na stražnji dio motora, a kod sporohodnih na stražnji dio motora preko multiplikatora ("reduktora" za povećanje broja okretaja) ili rjeđe direktno. Problem je što generatori koji rade na malim okretajima moraju imati veliki promjer kako bi se postigla dovoljno velika obodna brzina za induciranje napona i mogao smjestiti veliki broj polova potreban za postizanje frekvencije od 60Hz. Npr. osovinski generator koji bi se direktno spojio na sporohodni porivni dizel motor koji radi na 120 o/min morao bi imati 60 polova. Takvi sporohodni generatori su skupi i glomazni pa se češće koriste varijante s bržim i manjim generatorima koje stoga vrlo često zahtijevaju upotrebu multiplikatora. Osovinski generatori se većinom koriste samo u navigaciji, ali na nekim brodovima sa specifičnim električnim sustavima i energetskim potrebama i za manevar, prekrcaj, naglo hlađenje tereta i sl. Dimenzionirani su tako da im je snaga dovoljna da u zadanim režimima eksploatacije samostalno pokriju svu predviđenu potrošnju pa se ne prakticira paralelni rad s dizel-generatorima. Teoretski gledano, raspoloživost poriva broda veća je kada su esencijalna trošila (pumpe nužne za rad glavnog porivnog stroja) napajana iz osovinskog generatora, jer je vjerojatnost otkaza glavnog porivnog stroja manja od vjerojatnosti otkaza glavnog porivnog stroja ili pomoćnog motora. Ipak, u specifičnim uvjetima plovidbe (teško more, moguća potreba nagle promjene kursa ili poriva) kada postoji opasnost od povratnog djelovanja brodskog vijka na brzinu vrtnje glavnog porivnog stroja, a time i na frekvenciju osovinskog generatora, odnosno brodske mreže, opasnost od blackouta a time i gubitka poriva je općenito veća. Osnovni problem osovinskih generatora je održavanje konstantne frekvencije brodske mreže kod različite veličine poriva, jer se (kod direktnog spoja na glavni porivni spoj) promjenom broja okretaja brodskog vijka mijenja i brzina osovinskog generatora, a time i frekvencija generiranog napona. Postoje četiri rješenja, odnosno četiri vrste osovinskih generatora:
Osovinski generator na brodu s brodskim vijkom s prekretnim krilima (CPP),
17
Osovinski generator spojen na glavni porivni motor preko varijatora (Con-Speed, Rank) na brodu s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP), Osovinski generator spojen na brodsku mrežu preko pretvarača frekvencije na brodu s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP) i Osovinski generator s asinkronim kolutnim generatorom na brodu s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP) koja se više ne koristi
Slika 10. Mogući načini instalacije osovinskog generatora
5.2. Osovinski generator na brodu s brodskim vijkom s prekretnim krilima (CPP) Ovo je najstarija izvedba osovinskog generatora za izmjeničnu struju. Primjenjuje se na brodovima na kojim se zbog postizanja boljih maritivnih karakteristika i smanjenja potrošnje goriva koriste brodski vijci s prekretnim krilima (CPP). Sinkroni generator je spojen direktno ili preko reduktora, odnosno multiplikatora, na osovinu glavnog porivnog stroja. Kada se odabere režim rada s osovinskim generatorom (SHAFT GENERATOR MODE) regulator broja okretaja glavnog porivnog motora se blokira na nazivnim okretajima i održava ih konstantnim, pa je prema tome konstantna i frekvencija napona generiranog na osovinskom generatoru. Tijekom rada osovinskog generatora, poriv se mijenja isključivo
18
promjenom koraka brodskog vijka. Moguć je i prekret (vožnja unazad) postavljanjem negativnog koraka brodskog vijka, ali se manevar s osovinskim generatorom iz razloga sigurnosti ne prakticira (u slučaju manevra naglog zaustavljanja dolazi do velikih oscilacija frekvencije i raspada elektroenergetskog sustava). Kod teškog mora, kada postoji opasnost zbog izranjanja brodskog vijka, osovinski se generator mora isključiti a okretaji motora smanjiti. Porivni motor se naime u modu osovinskog generatora konstantno vrti gotovo maksimalnim brojem okretaja, pa bi pri izranjanju krila brodskog vijka došlo do naglog smanjenja otpora, a time i naglog povećanja brzine, što regulator broja okretaja ne bi mogao pravovremeno kompenzirati smanjenjem goriva, pa bi brzina prešla limit na kojem prorađuje zaštita od prevelike brzine (OVER SPEED) koja bi u tom slučaju bez odlaganja isključila motor. Stao bi naravno i osovinski generator, pa bi se brod našao na teškom moru bez poriva i električne energije (blackout). Kako CPP omogućuje prekret poriva jednostavnom promjenom koraka vijka u negativnu stranu, što je i najefikasniji način za prelazak u vožnju krmom, često je korištena izvedba s razdvajanjem glavne sabirnice na način da u manevru osovinski generator napaja samo pramčani porivnik, kojemu nagle oscilacije frekvencije kod promjene opterećenja glavnog porivnog stroja nisu od velikog značaja, dok sva ostala trošila, odnosno brodsku mrežu, napajaju dizelgeneratori. Na taj način je na brodu smanjen ukupni broj dizelgeneratora.
5.3.
Osovinski generator spojen preko varijatora (Con-Speed)
Varijator (Con Speed, Rank) je uređaj koji i kod promjene brzine na njegovoj ulaznoj osovini zadržava konstantan broj okretaja na izlaznoj osovini na koju se spaja osovinski generator. Ako je osovinski generator spojen preko varijatora moguće je s njime ploviti u granicama od 70-100% nazivne brzine glavnog porivnog stroja. Danas se koriste varijatori koji rade na mehaničko-hidrauličkim principima. Problem varijatora su relativno česti kvarovi koji su u pravilu posljedica nestručnog održavanja.
5.4.
Osovinski generator sa statičkim pretvaračem frekvencije
Ovo je najsuvremenija izvedba osovinskog generatora. Generator je spojen na osovinu glavnog stroja direktno ili preko reduktora (multiplikatora) pa se promjenom broja okretaja brodskog vijka (FPP) mijenja i frekvencija generatora. Generator se električki spaja na mrežu preko statičkog pretvarača frekvencije koji na izlazu održava potpuno konstantnu frekvenciju i napon. Kako je riječ o o elektroničkom uređaju, brzina promjene broja okretaja glavnog porivnog stroja nema nikakvog utjecaja na stabilnost napona i frekvencije mreže. Najčešće korišten pretvarač frekvencije je sinkrokonverter koji zahtijeva ugradnju sinkronog kompenzatora. To je sinkroni stroj koji nema pogona ni tereta. Radi kao sinkroni motor u preuzbuđenom stanju, a upućuje se pomoću malog asinkronog motora (pony motor). Sinkroni kompenzator ima trostruku ulogu: 1) omogućuje komutaciju (gašenje) tiristora sinkrokonvertera (sinkrokonverter može raditi samo ako su mu na obje strane (osovinskog generatora i mreže) priključeni sinkroni strojevi,: 2) osigurava jalovu snagu za potrošnju (sinkrokonverter struju najprije ispravi a zatim je pretvara u izmjeničnu struju stabilne frekvencije pa se zbog istosmjernog međukruga jalova energija ne može razmijenjivati između generatora i potrošnje); 3) osigurava dovoljno visoku trajnu struju kratkog spoja za selektivnu proradu zaštita (sinkrokonverter nema mogućnosti velikog preopterećenja pa ne može dati dovoljno veliku
19
struju kratkog spoja. Osnovni problem Sinkrokonvertera su njegove nesinusoidalne (pravokutne) struje na mrežnoj i generatorskoj strani što znači da je mreža zagađena jakim višim harmonicima. Najnovija izvedba osovinskog generatora koristi širinsko-impulsno modulirani pretvarač frekvencije sa aktivnim ispravljačem koji ima približno sinusoidalne struje i ne treba sinkroni kompenzator pa je održavanje i rukovanje mnogo jednostavnije.
Slika 11. Osovinski generator sa statičkim pretvaračem frekvencije
5.5.
Pomoćna propulzija
PTO/PTI je osovinski generator koji može raditi i kao motor te tako brodskom vijku po potrebi dodavati energiju proizvedenu u brodskoj električnoj centrali. Može se koristiti za pomoćnu propulziju (kada ne radi glavni porivni stroj) u kom slučaju mora postojati spojka za odvajanje glavnog porivnog motora ili za povećanje brzine broda (dodaje snagu glavnom porivnom stroju). Da bi je Registar priznao, pomoćna propulzija mora omogućiti plovidbu brzinom od 6 do 7 čvorova ili s pola maksimalne brzine (uzima se manja vrijednost).
Slika 12. Pomoćna propulzija
20
6. Paralelni rad generatora Prema propisima brod mora imati toliko generatora da pri ispadu iz pogona bilo kojeg od njih preostala snaga (snaga ispravnih generatora) bude dovoljna za sigurnu plovidbu. Paralelni rad generatora primjenjuje se zbog prilagođavanja proizvodnje električne energije, preciznije broja priključenih generatora, trenutačnim potrebama potrošnje u različitim fazama eksploatacije broda. Potrošnja električne energije se naime jako razlikuje zavisno od toga da li je brod u plovidbi, manevrira, prekrcava teret ili je na sidru, a na brodsku mrežu treba u svakom trenutku biti priključeno dovoljno generatora za podmirivanje trenutačne potrošnje. ¸ Treba ipak napomenuti da se tijekom manevra u paralelni rad uključuje više generatora nego što je prema trenutačnoj, čak i očekivanoj, potrošnji potrebno, kako bi se povećala sigurnost napajanja električnom energijom. Vezano za očekivanu potrošnju, u manevru mora biti priključeno dovoljno generatora za uključivanje i nesmetan rad pramčanog propelera, koji je izuzetno veliko trošilo, kako bi ga se po potrebi u svakom trenutku moglo uključiti. Isto tako, uključivanjem jednog generatora više od potrebnog broja, povećava se raspoloživost elektroenergetskog se sustava tako da bez prekida u napajanju može proizvoditi dovoljno energije čak i u slučaju iznenadnog ispada iz pogona jednog od generatora. To se međutim ne prakticira u ostalim fazama eksploatacije jer preveliki broj priključenih generatora u odnosu na trenutačnu potrošnju znači da su njihovi pogonski strojevi (uglavnom dizel motori) podopterećeni, a tada im je specifična potrošnja goriva primjetno veća. Također, zbog nepotpunog sagorijevanja dolazi do prljanja što skraćuje servisne intervale i tako povećava troškove održavanja. Nije dakle uputno da dizel-generatori dulje vrijeme rade s manje od 25-30% nazivnog opterećenja dizel motora [kW]. Korištenjem većeg broja generatora koji se po potrebi uključuju na mrežu u paralelni rad postiže se dakle rad pogonskih strojeva u području većih opterećenja i time bolje iskorištenje goriva. Problematika paralelnog rada obuhvaća:
6.1.
sinkronizaciju raspodjelu djelatne snage [kW] raspodjelu jalove snage [kVAr] zaštitu od povratne snage
Sinkronizacija
Sinkronizacija je postupak uključivanja sinkronog generatora u paralelni rad s mrežom pri čemu se nakon što su ispunjeni svi uvjeti uključuje generatorski prekidač. Svako isključivanje ili uključivanje većih trošila tijekom sinkronizacije utječe na ravnotežu sustava i produljuje vrijeme sinkronizacije (npr. vrlo je teško a često puta i nemoguće napraviti sinkronizaciju dok rade bočni porivnici ili teretna vitla). Uvjeti koje je potrebno zadovoljiti prije sinkronizacije generatora na brodsku mrežu su:
isti redoslijed faza generatora i brodske mreže jednak iznos napona generatora i brodske mreže približno jednake frekvencije napona generatora i brodske mreže (generator koji se sinkronizira na mrežu mora se vrtjeti malo brže od generatora koji su već priključeni kako bi nakon uključenja prekidača odmak preuzeo malo opterećenja. U suprotnom bi povukao malo snage iz mreže i počeo raditi kao motor) istofaznost napona generatora i brodske mreže
21
Isti redoslijed faza svih ugrađenih generatora ostvaruje se prilikom gradnje broda, odnosno u fazi projektiranja i ugradnje opreme. Podešavanje induciranog napona generatora prije sinkronizacije na vrijednost jednaku naponu mreže vrši se regulacijom struje uzbude, dok se jednakost frekvencije i istofaznost postižu se regulacijom brzine stroja koji pogoni generator (na brodu je to najčešće dizel motor ili turbina). Razlike u vrijednostima gore navedenih parametara generatora i mreže, koja su veća od dozvoljenih, mogu izazvati slijedeće posljedice:
ako postoji razlika između napona mreže i napona generatora u trenutku uključivanja sklopke, poteći će reaktivna struja greške kroz generator ukoliko se frekvencije napona mreže i napona generatora razlikuju u trenutku uključivanja sklopke, poteći će radna struja greške kroz generator (ako je frekvencija napona generatora manja on će iz mreže uzimati snagu i obratno). razlika u fazi dovesti će do pojave struje izjednačenja čija je veličina proporcionalna kutu pomaka vektora napona generatora i napona mreže (najveća je kod 180° i odgovara struji kratkog spoja tjeranoj dvostrukim naponom, što može stvoriti veliki moment na osovini i oštetiti generator).
Slika 13. Shema spoja za sinkronizaciju generatora Na slici 13. prikazana je tipična shema spoja za sinkronizaciju generatora. Nekad su se za provjeru uvjeta sinkronizacije koristile tzv. sinkronizacijske žarulje u tamnom ili rjeđe svijetlom spoju, dok se danas to radi isključivo korištenjem sinkronoskopa. Sinkronizacijske lampe služe za određivanje trenutka kada su napon generatora kojeg sinkroniziramo i napon mreže u fazi tj. kada između njih nema faznog pomaka, pa se može uključiti generatorski prekidač odnosno izvršiti sinkronizacija. Najčešće se spajaju u tamni spoj tj paralelno kontaktima generatorskog prekidača, kao što je prikazano u shemi na slici 1. U tamnom spoju su lampe ugašene kada je generator u fazi s mrežom. Sinkronoskop služi za određivanje trenutka kada su napon generatora kojeg sinkroniziramo i napon mreže u fazi tj. kada između njih nema faznog pomaka pa se može uključiti generatorski prekidač odnosno izvršiti sinkronizacija
22
Jednakost napona i frekvencije utvrđuju se dvostrukim voltmetrom, odnosno frekvencometrom.
Slika 14. Dijagram toka sinkronizacije Dijagram toka sinkronizacije prikazan je na slici 14. Isti postupak vrijedi neovisno o tome koja se vrsta sinkronizacije primjenjuje. Ručna sinkronizacija u pravilu traje dosta dugo jer je potrebno određeno vrijeme da se podese svi parametri, pogotovo istofaznost napona generatora i mreže, što obično i predstavlja najveći problem u praksi. Također, ako se ne reagira brzo i sklopka zatvori točno u trenutku kada su uvjeti zadovoljeni (sinkronizacijske žarulje ne svijetle, ili je kazaljka sinkronoskopa na nuli, ovisno o tome koja se metoda koristi) može doći do neželjenih posljedica i pojave struje greške. Kako je na brodu u većini slučajeva potrebno sinkronizaciju izvršiti čim brže, danas koristi isključivo brza automatska sinkronizacija.
6.2.
Raspodjela djelatne snage
Raspodjela djelatne snage (kW) je nedjeljiva od regulacije frekvencije i povezana je isključivo s pogonskim strojevima generatora, a posebice njihovim regulatorima broja okretaja. Nakon što je drugi generator sinkroniziran na brodsku mrežu koju je do tada napajao prvi generator, on i dalje radi sa zanemarivim opterećenjem. Da bi preuzeo dio opterećenja od prvog generatora s kojim je sada elastično povezan preko tzv. električne osovine (oba se stroja zbog paralelnog spoja i prema tome istog napona i frekvencije vrte identičnom brzinom) treba pogonskom stroju drugog povećati a prvog smanjiti dovod goriva. Na taj način uz konstantnu brzinu vrtnje, odnosno frekvenciju, dolazi do prebacivanja dijela snage s prvog generatora na drugi. To se međutim ne radi direktnim pomicanjem ručice goriva već preko regulatora broja okretaja spomenutih strojeva.
23
6.2.1. Karakteristike regulacije frekvencije f(P) Regulator broja okretaja ima mogućnost podešavanja nagiba (speed droop) karakteristike opterećenja koja pokazuje ovisnost frekvencije (broja okretaja) o opterećenju (djelatnoj snazi u kW) pogonskog stroja (dizel motora). Postoje dvije vrste podešenja: Karakteristika kod koje nema propada frekvencije s povećanjem opterećenja naziva se astatička, dok se karakteristika s nagibom naziva statičkom (slika 15).
Slika 15. Karakteristike regulacije frekvencije f(P)
Statička se karakteristika u pravilu podešava tako da frekvencija kod punog opterećenja u odnosu na prazni hod (bez opterećenja) padne za 5% (3Hz) i tako ostane ukoliko se ne korigira ručno pomoću komande LOW/RISE u generatorskom polju ili polju sinkronizacije glavne rasklopne ploče, čime se karakteristike f(P) translatira dolje-gore. Treba naglasiti da, ako je uključena, automatska regulacija frekvencije (frequency control), u svojstvu nadređene automatike, sama translatira karakteristike f(P) i tako održava konstantnu frekvenciju kod različitih djelatnih opterećenja [kW], pa se propad frekvencije u slučaju statičke karakteristike, kod npr. povećanja potrošnje, može uočiti samo neposredno nakon uključenja novog trošila, prije nego što ga automatska regulacija frekvencije uspije korigirati podizanjem karakteristike. Kod dizel-generatora s astatičkom karakteristikom također dolazi do propada frekvencije ali ga njegov regulator broja okretaja sam kompenzira, mnogo brže od nadređene regulacije frekvencije. Ako se koriste moderni elektronički regulatori broja okretaja, vrijeme vraćanja frekvencije na 60Hz će u oba slučaja biti jednako. Osovinski generator u kombinaciji sa brodskim vijkom s prekretnim krilima (CPP) ima astatičku karakteristiku, jer je snaga glavnog porivnog stroja koji ga pogoni mnogo veća od snage generatora tako da porivni stroj bez obzira na podešenje njegovog regulatora broja okretaja, ne osjeća ove, za njega premale, promjene opterećenja.
6.2.2. Raspodjela djelatne snage [kW] između dva generatora Na slici 16 je prikazana raspodjela djelatnog opterećenja u slučaju dva jednaka dizelgeneratora s jednako podešenim statičkim karakteristikama regulacije.
24
Slika 16. Raspodjela djelatnog opterećenja u slučaju dva jednaka dizelgeneratora s jednako podešenim statičkim karakteristikama regulacije Prije i neposredno nakon sinkronizacije svo opterećenje je držao DG1. Nakon sinkronizacije novo-priključeni generator DG2 radi bez opterećenja. Da bi preuzeo dio opterećenja komandom RISE je automatskom regulatoru broja okretaja njegovog dizel motora podignuta karakteristika f(P) uz adekvatno spuštanje iste na DG1 komandom LOW kako bi se zadržala konstantna frekvencija. Ukupno opterećenje (potrošnja trošila priključenih na brodsku mrežu) koje se nije promijenilo sada je ravnomjerno raspoređeno između DG1 i DG2. Kod uključenja ili isključenja nekog (većeg) trošila dolazi do brze raspodjele opterećenja koja ovisi o nagibu karakteristika opterećenja. Ako su oni jednaki, oba će dizel generatora preuzeti jednaki dio novog opterećenja, neovisno o tome da li je postojeće opterećenje bilo ravnomjerno raspoređeno, kao na slici, ili ne. Iako postoje i drugačije opcije, najčešće se nadređena automatika (LOAD SHARING) postavlja na jednako opterećenje svih generatora u paralelnom radu (EQUAL LOAD) jer je u tom slučaju trenutna opteretivost električne centrale uključivanjem novog potrošača najveća. U suprotnom bi se moglo dogoditi da generator koji nosi veće opterećenje, uzevši u trenutku uključenja novog trošila jednaki dio snage dođe u preopterećenje dok bi drugi generator još imao rezerve snage.
6.2.3. Raspodjela djelatne snage [kW] između dizel generatora i osovinskog generatora Kako je već objašnjeno, osovinski generator u kombinaciji sa brodskim vijkom s prekretnim krilima CPP ima astatičku karakteristiku jer je snaga glavnog porivnog stroja koji ga pogoni mnogo veća od snage generatora tako da porivni stroj ne osjeća tako male promjene opterećenja (slika 17). Stoga se nakon sinkronizacije raspodjela opterećenja vrši samo spuštanjem karakteristike dizelgeneratora preko njegovog regulatora broja okretaja (komanda LOW). Regugacija frekvencije se vrši direktno i isključivo preko regulatora broja okretaja glavnog porivnog stroja.
25
Slika 17. Raspodjela djelatne snage između dizel generatora i osovinskog generatora Paralelni rad se prakticira samo tijekom zamjene generatora (s osovinskog na dizel i obratno), jer za njime u nema potrebe budući da je osovinski generator dovoljno velik da kada je u radu podmiri kompletnu potrošnju električne energije na brodu. Neki sustavi omogućuju trajni paralelni rad osovinskog i dizel generatora, koji međutim nije preporučljiv jer zbog naglog opterećenja glavnog motora (promjena koraka ili izranjanje brodskog vijka, veći zakret kormila) može doći do pada ili porasta njegovog broja okretaja, a time i naglog prebacivanja snage između osovinskog i dizel generatora, što može prouzročiti isključivanje dizelgeneratora i osovinskog generatora (blackout) zbog povratne snage i/ili preopterećenja.
6.3.
Raspodjela jalove snage [kVAr]
Generatori, pored djelatne snage, moraju osigurati i nesmetanu razmjenu jalove snage. Raspodjela jalove snage (kVAr) je nedjeljiva od regulacije napona i povezana je isključivo s generatorima, a posebice njihovom strujom uzbude, reguliranom putem automatskog regulatora napona (AVR). Povećanjem uzbudne struje generator preuzima više jalove snage. Slično kao i regulator broja okretaja i automatski regulator napona može imati statičku ili astatičku karakteristiku U(Q). U paralelnom radu je obvezatna statička karakteristika, dok se u otočnom radu (samo jedan generator na mreži) ponekad, zbog veće stabilnosti napona, prakticira prelazak na astatičku karakteristiku. Prelazak je iniciran putem pomoćnih kontakata generatorskih prekidača (kada je samo jedan prekidač uključen). U slučaju neravnomjerne raspodjele jalove snage, može se dogoditi da, iako su pogonski strojevi (dizel motori) jednako opterećeni (djelatna snaga [kW] na oba generatora su jednaki), jedan od generatora bude više opterećen ili čak preopterećen (prevelika struja na A-metru) jer je na sebe preuzeo veći dio jalove snage. Do neravnomjerne raspodjele jalove snage, koja se lako detektira (različito pokazivanje mjerila faktora snage (cosφ) i/ili različito pokazivanje kVAr-metara i A-metara kada kW -metri pokazuju isto) može doći zbog kvara na uzbudi, te zbog kvara ili krivog podešenja automatskog regulatora.
26
7. Razvod i razdioba električne energije na brodu Električnu energiju potrebno je na siguran i učinkovit način raspodijeliti i sprovesti od izvora do potrošača. U tu svrhu koriste se sklopne ploče, transformatori i kabelski vodovi. Primarna razdioba uključuje trošila koja su direktno priključena na napon generatora, dok su kod sekundarne razdiobe trošila nemaju direktnu vodljivu vezu s generatorom, već su galvanski odvojena pomoću transformatora. Primarni razvod trofazne izmjenične struje na brodu obično se ostvaruje trovodnim sustavom razdiobe koji može imati uzemljeno ili neuzemljeno zvjezdište. Kod uzemljenih sistema zvjezdište generatora se može uzemljiti direktno, ili preko otpora što je najčešće rješenje kod primjene visokog napona. Shema razvode brodske električne mreže može se izvesti kao radijalna ili prstenasta. Bez obzira na način izvođenja, električna mreža mora zadovoljiti zahtjeve sigurnosti i kontinuiteta pogona, te biti jednostavna za rukovanje i održavanje.
7.1.
Neuzemljeni brodski električni sustav
Kod neuzemljenog električnog sustava (slika 18) zvjezdište generatora nije spojeno na masu pa je cijeli sustav izoliran od trupa broda. Koristi se na gotovo svim brodovima s niskonaponskim elektroenergetskim sustavom iako pravila registra osim na tankerima dozvoljavaju i primjenu uzemljenog sustava (osim na tankerima gdje je neuzemljeni sustav obavezan).
Slika 18. Neuzemljeni brodski električni sustav Masa broda se zbog parazitskih kapaciteta (kapacitet kabela i namota električnih uređaja prema masi) i simetričnosti sustava u normalnim uvjetima nalazi na potencijalu zvjezdišta generatora. Zbog toga između faza i trupa vlada fazni napon baš kao da je sustav uzemljen. Kada dođe do zemnog spoja (spoja s masom) poteče struja koja se zatvara kroz parazitske kapacitete. Prednost izoliranog sustava je mala struja zemnog spoja a time i manja opasnost od požara i oštećenja. Veličina struje zavisi od veličine ukupnog parazitskog kapaciteta a ovaj o veličini sustava. Veći sustavi imaju razgranatiju mrežu i više priključenih uređaja pa su kapacitet a time i struja zemnog spoja veći. Struja ne smije biti veća od 20A jer bi tada opasnost od požara i oštećenja uređaja bila prevelika. Sustav koji je u spoju sa masom može u cijelosti
27
nastaviti sa radom sve dok ne dođe do drugog spoja sa nekom drugom masom što tada predstavlja dvopolni kratki spoj. Detekcija spoja s masom vrši se pomoću posebnog uređaja koji automatski mjeri otpor izolacije i aktivira alarm. Signalizacija ide preko zemnospojnih lampi, a zatim preko MΩ metra. Trajanje spoja s masom ipak treba biti što kraće jer je izolacija sistema (kabeli i uređaji) preopterećena √3 puta odnosno 73% jer je sada izložena linijskom a ne više faznom naponu. Predviđeno je da takvo stanje može trajati do 200 sati godišnje (pojačana izolacija). Kod niskog napona izolacija i tako mora biti jača zbog mogućnosti mehaničkog oštećenja. Kod visokonaponskih sustava se uzemljivanjem zvjezdišta preko otrpornika osigurava prorada zaštite i isključivanje dijela sustava i onemogućuje pojava ovog naponskog opterećenja što je povoljnija varijanta od pojačavanja izolacije. Veliki sustavi imaju veliki kapacitet pa je i struja zemnog spoja veća od 20A što također može biti razlog za napuštanje izoliranog sustava. Jednofazna trošila se spajaju na ploču rasvjete napajanu preko transformatora 440/220 ili 440/110V. Jednofazni potrošači napajaju se dakle sa dvije faze. Stoga se uključuju i štite s dvopolnim rasklopnim uređajima.
7.2.
Uzemljeni brodski električni sustav
1. Zvjezdište uzemljeno preko velikog otpora Ovom metodom eliminira se porast napona kod zemnog spoja. Generatori na brodovima sa visokim naponom najčešće imaju zvjezdište uzemljeno preko velikog otpora. Pri tome je u svakom zvjezdištu ugrađen prekidač jer samo jedan od generatora u radu smije biti spojen na masu. Otpor između zvjezdišta generatora i mase broda dimenzionira se tako da struja zemnog spoja ne pređe 20A. Poželjna je naravno čim manja struja ali ona ovisi o osjetljivosti zaštita koje moraju brzo isključiti dio mreže u spoju sa masom. Što su zaštite osjetljivije to su i složenije i skuplje. 2. Zvjezdište uzemljeno preko malog otpora Korištenjem malog otpora ograničava se struja zemnog spoja na 200-400A što su već vrlo visoke i opasne vrijednosti struje. Zbog toga kvar treba što brže isključiti. Prednost uzemljenja preko malog otpora je da su zaštite mnogo jednostavnije i jeftinije, ali je nedostatak što se zbog veće struje povećava rizik od požara i oštećenja. 3. Direktno uzemljeno zvjezdište generatora Korištenjem direktno uzemljenog zvjezdišta nestaje potreba za posebnim zaštitama za zemni spoj jer svaki zemni spoj predstavlja jednopolni kratki spoj tako da ga isključuje zaštita od kratkog spoja. Velika struja (deseci kA) predstavlja veliku opasnost pa Registar zabranjuje direktno uzemljenje na tankerima i rijetko se koristi na brodovima. Problem sa uzemljenim sustavima je i taj što se stanje kratkog spoja ne može uvijek trenutno prekinuti zbog izvedbe selektivnosti zaštite od kratkog spoja. Praktično je za 1-f trošila (rasvjeta) jer nije potreban transformator već se koristi nul-vodič. Jednofazna trošila se priključuju između faze i nule (Slika 19).
28
Slika 19. Uzemljeni brodski električni sustav
7.3.
Sheme razvoda brodske električne mreže
1. Radijalna (zrakasta) shema razvoda
mreža se zrakasto širi od centrale prema potrošnji uz grananje u razdjelnicima. jednostavnija za rukovanje i održavanje jeftinija jednostavnije i jeftinije zaštite nedostatak je što se u slučaju prekida napajanja nema mogućnosti alternativnog rezervnog napajanja
Slika 20. Načelna shema radijalne (zrakaste) brodske mreže 2. Prstenasta shema razvoda
mreža zatvara prsten pa je moguće napajanje svih razdjelnika s obje strane prstena. za ratne brodove i objekte specijalne namjene veća žilavost i raspoloživost napajanja potrebne su skuplje (usmjerene) zaštite
Slika 21. Načelna shema prstenaste brodske mreže
29
Slika 22. Principni prikaz konvencionalne brodske niskonaponske radijalne sheme razvoda
30
7.4.
Sabirnice
Sabirnice (slika23) su goli neizolirani vodiči od profiliranog bakra, na koje se direktno priključuju dovodi napajanja s generatora i odvodi prema glavnoj sklopnoj ploči. Učvršćuju se i međusobno odvajaju pomoću izolatora.
Slika 23. Primjer postavljanja sabirnica unutar modula glavne brodske rasklopne ploče Najčešće se izrađuju u obliku ravnih traka ili šupljih cijevi, jer ti oblici omogućuju najefikasnije odvođenje topline. Veličina sabirnica mora biti odabrana tako da može izdržati električna i mehanička naprezanja pri struji kratkog spoja. Pri projektiranju sabirnica potrebno je paziti da njihova rezonantna frekvencija ne leži u području osnovnog i drugog harmonika frekvencije struje mreže (npr, kod frekvencije mreže 60 Hz, rezonantna frekvencija sabirnice ne smije biti između 50 i 70 Hz, te 110 i 130 Hz). Običaj je da se sabirnice i svi ostali neizolirani vodovi i priključci kod brodskih sustava razdiobe trofazne izmjenične struje označuju posebnom bojom za svaku fazu i to:
7.5.
Faza R (A) – žuto Faza S (B) – zeleno Faza T (C) – ljubičasto Nulti vod (N) – sivo Dozemni vod – poprečne zeleno žute pruge
Rasklopne ploče
Sklopne ploče u elektroenergetskom sustavu broda imaju vrlo važnu ulogu jer povećavaju kvalitetu i sigurnost razdiobe električne energije. Osnovna podjela sklopnih ploča na brodu obično se vrši na slijedeći način:
Glavna rasklopna ploča Pomoćne rasklopne ploče Rasklopna ploča za napajanje u nuždi Grupni uputnici
31
Pojedinačni uputnici Razdjelnici
7.5.1. Glavna rasklopna ploča Glavna rasklopna ploča (GRP) je središte elektroenergetskog sustava. U GRP se nalaze sabirnice na koje su priključeni izvori (svi generatori osim generatora za nužnost) i odvodi za pojedinačna trošila, grupne uputnike, razdjelnike snage, transformatore rasvjete i napajanje ploče za nužnost. GRP je podijeljena na polja (generatorska polja, polje sinkronizacije i polja potrošnje). U poljima se nalaze:
sabirnice sklopni uređaji (prekidači, sklopke, rastavljači) zaštite mjerni uređaji (mjerni transformatori, instrumenti, A/D pretvornici) uređaji za upravljanje
Moderne brodske sklopne ploče rade se isključivo u obliku modula koji se prema potrebi na jednostavan način međusobno povezuju, što olakšava ugradnju i održavanje. Sabirnice glavno rasklopne ploče dobro je podijeliti na više grupa (obično na dvije, ali kod većih sistema moguće je i više). Na svaku grupu spaja se polovica od ukupnog broja generatora, kao i polovica najvažnijih uređaja (trošila). To se prvenstveno radi zbog toga da bi i u slučaju direktnog kratkog spoja na sabirnicama, opskrba električnom energijom i dalje bila moguća nakon što se grupa sabirnica na kojima je nastao kvar isključi iz sistema. Primjena ovakve konfiguracije GRP-a (slika24) također omogućuje da određena trošila, za koja to registar izričito zahtjeva, imaju mogućnost dvostranog napajanja iz različitih sekcija.
Slika 24. Tipična konfiguracija glavne razvodne ploče sa odvojenim grupama sabirnica Važna trošila dobro je podijeliti tako da njihova snaga u pojedinoj grupi ne bude veća od snage jednog generatora. Manje važna trošila moraju se kod preopterećenja uvijek prva iskopčati, bez obzira na konfiguraciju GRP-a.
7.5.2. Rasklopna ploča za napajanje u nuždi Rasklopna ploča za napajanje u nuždi služi napajanju potrošača koji su važni za sigurnost broda i posade, a to su u prvom redu:
kormilarski uređaj protupožarna, kaljužna i balastna pumpa navigacijska i komunikacijska oprema navigacijska rasvjeta i rasvjeta za nuždu
32
protupožarna centrala i alarmni sustav
U normalnom pogonu, ploča za napajanje u nuždi napaja se sa GRP-a, a kod nestanka napona na GRP-u uslijed kvara ili black-outa napajanje automatski preuzima generator za nužnost. Ploča za napajanje u nuždi mora se nalaziti u istoj prostoriji gdje je smješten i generatora za nužnost.
7.6.
Brodska kabelska mreža
Brodska kabelska mreža služi međusobnom povezivanju izvora električne energije, rasklopnih ploča i trošila u svrhu prijenosa električne energije, mjerenja, signalizacije i obrade signala. Brodske električne kablove možemo sa stanovišta namjene podijeliti na:
energetske signalne upravljačke komunikacijske
Brodski kabeli moraju imati atest Registra što između ostaloga podrazumijeva da su otporni na vlak, tlak, udarce, habanje, ulje, boju, benzin, goriva, toplinu, hladnoću, sol i vlagu. Također, brodski kabeli moraju biti nezapaljivi i ne smiju podržavati gorenje međutim kada se nađu u vatri svi kabeli stvaraju zagušujuće i gotovo uvijek izuzetno otrovne plinove pa je tijekom gašenja obvezatna upotreba plinske maske. Kablovi se dimenzioniraju prema nazivnoj struji i padu napona koji kod krajnjeg trošila ne smije biti veći od 5%. Energetski kablovi koji se ugrađuju na brodove obično imaju zaštitni oklop u obliku opleta od tanke metalne mreže. Metalni oplet povećava mehaničku čvrstoću kabela tako što ga štiti od udaraca, habanja i naprezanja). Kod energetskih kabela oplet sprječava emisiju elektromagnetskog zračenja, a kod signalnih, upravljačkih i komunikacijskih induciranje napona (pojavu smetnji) zbog elektromagnetskog zračenja drugih kabela, uređaja ili atmosferskih pražnjenja. Kabeli se obično polažu u kabelske trase izrađene od perforiranog lima (da se ne zadržava voda, smanji težina i omogući jednostavno učvršćivanje kabela). Pri polaganju kabela treba paziti: da kabeli budu što kraći (pad napona, težina, cijena, polaganje), da su dovoljno savitljivi za jednostavno provlačenje, da ne dođe do mehaničkog oštećenja, izbjegavati izvore topline (separatori, kotlovi, grijani tankovi...), izbjegavati vlažne prostore, dobro učvrstiti (zbog vibracija, habanja i velikih sila kod kratkog spoja). Signalni kabeli se nikada ne polažu uz energetske, a trase im se moraju sjeći pod pravim kutom, osigurati kvalitetno brtvljenje na prolascima kroz pregrade i palube.
33
8. Sklopni uređaji Sklopni uređaji služe za uklapanje ili prekidanje struje u jednom ili više strujnih krugova, te upravljaju radom električnih uređaja za proizvodnju, transformaciju, distribuciju i potrošnju električne energije unutar brodske elektroenergetske mreže. Mogu vršiti funkcije u svrhu:
8.1.
uklapanja i isklapanja pokretanja regulacije zaštite upravljanja (komande)
Prekidači
Prekidač (eng. circuit breaker) je mehanički sklopni aparat koji može uklapati, voditi i prekidati struju u normalnim uvjetima pogona, te određeno vrijeme voditi i prekidati struju kratkog spoja. Upravljanje prekidačima ostvaruje se pomoću pogonskih mehanizama koji mogu biti opružno-mehanički i elektromagnetski. Napinjanje opruge prekidača može biti automatsko (elektromotorno) ili ručno. Može se reći da je prekidač najvažniji dio brodske mreže jer ima zaštitnu funkciju prekidanja struje kratkog spoja. Prekidač se može isključiti:
ručno mehaničkim tipkalom za isključivanje ručno električkim tipkalom za isključivanje automatski kod prorade zaštite
Prekidače razlikujemo i prema vrsti medija za gašenje električkog luka koji nastaje prilikom iskapčanja. Na brodu koristimo zračne i kod niskih i srednjih napona (do 660V), a kod visokih napona vakuumske i punjene SF6 plinom.
Slika 25. (a) Zračni prekidač (ACB- Air Circuit Breaker); (b) visokonaponski SF6 prekidač
8.2.
Sklopke
Sklopka (slika 26) može uključiti, isključiti i trajno voditi struju preopterećenja (1.2 In). Svi spojni kontakti nalaze se čvrsto vezani u jednom kućištu. Uključivanje i isključivanje sklopke obično se izvodi ručno.
34
Slika 26. Sklopka Prema namjeni i mogućnosti uklapanja sklopke se mogu podijeliti na teretne, motorne i niskonaponske prekidače. Na brodu su vrlo često u upotrebi motorske zaštitne sklopke termičkom i magnetskim okidačima za zaštitu motora (slika27). One moraju imati mogućnost uklapanja i prekidanja struja koje se javljaju pri pokretanju kavezih asinkronih motora, kao i struje preopterećenja.
Slika 27. Motorska zaštitna sklopka Prema primjeni dijelimo ih na:
8.3.
rastavne (rastavljanje strujnog kuga s vidljivim položajem kontakata) upravljačke (uklapaju i prekidaju strujne krugove u tehnološkim procesima) zaštitne ( zaštita od nedopustivih električnih veličina, te termičkih i mehaničkih naprezanja)
Rastavljači
Rastavljač (slika 28) je mehanički sklopni aparat koji služi samo za izolaciju dijela sustava od napona i nesmije se uključivati niti isključivati pod opterećenjem. U otvorenom položaju mora osigurati vidljivi rastavni razmak koji jamči sigurnost osoblja i postrojenja. U uklopljenom položaju trajno vodi nazivnu struju, a kratko vrijeme i struju kratkog spoja.
Slika 28. Rastavljač
8.4.
Sklopnici i releji
Sklopnik (slika 29) je elektromagnetska sklopka koja je uključena dok kroz njen kontrolni svitak teče struja. Najviše se koristi se za upravljanje elektromotorima. Kao i
35
sklopka može uključiti, isključiti i trajno voditi struju preopterećenja (1,2In). Uz bimetalni relej osigurava prekostrujnu i podnaponsku zaštitu motora dok se zaštita od kratkog spoja ostvaruje primjenom osigurača.
Slika 29. Sklopnik Relej (slika 30) je također elektromagnetska sklopka koja služi za kontrolu, upravljanje, signalizaciju i zaštitu. Dijelimo ih na:
pomoćne i signalne mjerne vremenske zaštitne
Slika 30. Princip rada releja
8.5.
Osigurači
Osigurač (slika 31) je topivi uložak koji kod pojave preopterećenja i posebno kratkog spoja pregorijevanjem prekida strujni krug. Ima veliku moć prekidanja.
Slika 31. Razni tipovi osigurača
36
9. Brodski elektromotorni pogoni Elektromotorni pogoni (EMP), odnosno pogoni kod kojih se mehanička energija potreban za obavaljanje korisnog rada dobiva iz elektromotora, imaju vrlo važnu ulogu na brodovima. Od ukupne potrošnje električne energije na brodu na elektromotorne pogone otpada između 75 i 95 % (ovisno o vrsti broda).
9.1.
Podjela brodskih elektromotornih pogona
Elektromotorni pogoni pomoćnih strojeva i uređaja:
pumpe kompresori ventilatori rashladni uređaji separatori vodonepropusna i protupožarna vrata
Elektromotorni pogoni palubnih strojeva:
kormilarski uređaj sidrena i sidreno-pritezna vitla pritezna vitla povlačna vitla pramčani i krmeni bočni porivnici prekrcaj tereta (dizalice) specifični tehnološki pogoni prema namjeni objekta
Prema regulaciji brzine dijelimo ih na:
jednobrzinske višebrzinske regulirane
Prema momentnoj karakteristici tereta dijelimo ih na: EMP sa potencijalnim momentom tereta M(n)=konst. (teretno vitlo) EMP sa centrifugalnim momentom tereta M(n)=konst. (pumpe, ventilatori) M
ug
al n
a
ka
ra kt er is
tik
a
te re t
a
Potencijalni moment tereta
C en tri f
n
37
Kod elektromotornih pogona razlikujemo četiri režima rada koji se još nazivaju i kvadrantima (u karakteristici momenta n(M).
I. II. III. IV.
motorski rad u desno generatorski rad u desno motorski rad u lijevo generatorski rad u lijevo
Jednokvadrantni pogoni rade samo u motorskom režimu u jednom smjeru vrtnje (I kvadrant). Četverokvadrantni pogoni rade u oba smjera u motorskom i generatorskom režimu (svi kvadranti). Dvokvadrantni pogoni mogu biti za motorski rad i kočenje u istom smjeru vrtnje (I+II) ili motorski rad u oba smjera vrtnje (I+III). Prema režimu rada EMP se prema (IEC) dijele na:
9.2.
trajni pogon (S1) motor postigne radnu temperaturu a nakon zaustavljanja se potpuno ohladi prije ponovnog uključivanja. kratkotrajni pogon (S2) xx min. rada i zatim stoji dok se ne ohladi. intermitirani pogon (S3) motor radi tp zaustavi se i miruje tm, a zatim se ponovno uključuje prije nego što se potpuno ohladio. faktor intermitencije ε=tp/(tp+tm) intermitirani pogon s utjecajem zaleta (S4) zbog čestih uključivanja zagrijavanje tijekom zaleta ima presudnu ulogu na temperaturu motora. intermitirani pogon s utjecajem zaleta i kočenja (S5) zbog čestih uključivanja i kočenja zagrijavanje tijekom zaleta i kočenja ima presudnu ulogu na temperaturu motora. trajni pogon s intermitiranim opterećenjem (S6) motor je trajno uključen ali mu se opterećenje mijenja (npr. pramčani potisnik s prekretnim krilima). trajni pogon sa zaletima i kočenjima (S7) (jednobrzinsko teretno vitlo). trajni pogon s ciklusima različitih brzina vrtnje i sa zaletima i kočenjima (S8) (brodsko teretno vitlo.
Elektromotorni pogoni brodskih pumpi
Najčešće se koriste motori za vertikalnu montažu iznad centrifugalne pumpe pomoću prirubnice (štedi se prostor, cjevovod s manje koljena, kod propuštanja tekućina ne može ući u motor). Postoje integrirane varijante kod kojih je motor unutar pumpe. Danas se koriste uglavnom asinkroni kavezni motori ali i sinkroni motori s permanentnim magnetima. Regulacija dobave najčešće se vrši bypass ili prigušnim ventilom, ali sve češće i promjenom broja okretaja pomoću pretvarača frekvencije. Pumpe za strojeve i brodske uređaje:
esencijalne (pumpe goriva, ulja, rashladne vode, mora) po dvije pumpe spojene izravno na suprotne strane glavne razvodne ploče ostale (transfer, kaljužne, napojne pumpe, za pranje palube...)
38
Pmpe za teret i posebne namjene:
pumpe tereta (vrlo velike snage i do 1,5 MW) pumpe za pretovar goriva, ulja, vode protupožarne pumpe balastne pumpe specijalne prema tehnološkoj namjeni broda
Pumpe za posadu i putnike:
9.3.
pitka voda voda za kuhanje, pranje i kupaonice
Elektromotorni pogoni brodskih ventilatora
Koriste se za:
provjetravanje brodskih prostora (strojarnica, zasebne pogonske i radne prostorije, skladišta, tankovi, akumulatorska stanica, stambeni prostori, kuhinjska napa) dobavu zraka za kotlove i provjetravanje ložišta
Imaju centrifugalni moment tereta. Za pogon ventilatora uglavnom se koriste asinkroni kavezni motori snaga do 50 kW. Moguća je radijalna i aksijalna izvedba. Ima ih mnogo i stalno rade tako da značajno utječu na potrošnju energije. Opća ventilacija prostora treba imati barem dva mjesta za isključivanje: na mostu i na mjestu dostupnom sa otvorene palube kao i automatsko isključivanje ventilatora kod aktiviranja protupožarnog sustava.
9.4.
Elektromotorni pogoni kompresora
Kompresore na brodu koristimo za:
zrak za startanje motora servisni zrak upravljački zrak rashladni uređaji klimatizacija dodatni zrak za turbo motore
Uglavnom startaju rasterećeni (otvoreni ventili za odzračivanje). Koriste se asinkroni kavezni motori. Kompresori rashladnih sustava na brodovima hladnjačama i posebno kompresori klimatizacije na putničkim brodovima mogu imati vrlo veliku snagu.
9.5.
Elektromotorni pogon kormilarskog uređaja
Izvedbe:
električki: Elektromotor u intermitiranom režimu S4 preko pužnog prijenosa pogoni kormilo. elektro-hidraulički: Mnogo češći i primjereniji za veće brodove. Kavezni asinkroni motor u trajnom režimu S1 pogoni hidrauličku pumpu. Upravljanje se izvodi otvaranjem i zatvaranjem ventila koji pune hidrauličke cilindre.
Do preopterećenja motora kod električne izvedbe može doći ako je kod nemirnog mora na autopilotu postavljeno premalo dozvoljeno odstupanje od kursa pa kormilo previše radi.
39
Zaštita od preopterećenja ne isključuje motor već samo aktivira alarm. Zaštita od kratkog spoja isključuje motor. U slučaju nestanka napajanja kormilo ostaje blokirano u istom položaju.Kormilarski uređaj mora imati dvostruko napajanje: sa GRP i sa ploče za nužnost. Jedan kabel ide lijevom a drugi desnom stranom broda.
9.6.
Elektromotorni pogon sidrenog vitla
Za pogon sidrenog vitla koriste višebrzinski (obično tri brzine) asinkroni motori (4,8 i 16 polova) ili frekventno upravljani asinkroni motori. Motori rade u intermitiranom režimu rada tako da su prilično termički opterećeni. Sidrena vitla mogu se koristit i za dinamičko pozicioniranje kod platformi za bušenje podmorja. Režimi rada trobrzinskog sidrenog vitla:
9.7.
prikupljanje rasterećenog lanca n3 privlačenje broda sidru n2 čupanje n1, n2 podizanje n2 uvlačenje n1
Elektromotorni pogon priteznog vitla
Sidreno vitlo obično ima i bubanj za konop pa se koristi i kao pritezno vitlo (sidrenopritezno vitlo). Ugrađena kočnica blokira rotor kada nestane napajanje. Režimi rada trobrzinskog priteznog vitla:
prikupljanje rasterećenog konopa n3 privlačenje broda n1, n2 otpuštanje konopa n3
Elektromotor može biti pod palubom, na palubi ili ugrađen u bubanj. Koriste se asinkroni višebrzinski motori. Povlačno vitlo je posebna izvedba priteznog vitla koje služi za tegljenje brodova i za pritezanje na obalnu bitvu. Ima ugrađen uređaj za održavanje konstantne sile u užetu što znači da motor prilagođava brzinu vrtnje kako bi se održavala konstantna sila.
9.8.
Elektromotorni pogoni bočnih porivnika
Pramčani i krmeni bočni porivnici eliminiraju korištenje remorkera. Omogućuju dinamičko pozicioniranje. Veliki potrošači jer im je snaga ponekad jednaka snazi jednog dizelgeneratora (do 1MW) pa automatika centrale blokira start ako na mreži nema dovoljno agregata. Problem predstavlja velika struja pokretanja. Ponekad se koriste zasebne sabirnice za osovinski generator i pramčani propeler. Motori koji se koriste:
Asinkroni kavezni sa autotransformatorom i zakretnim krilima (starta u nultom položaju, trajni režim rada S1). Asinkroni kavezni motor napajan iz pretvarača frekvencije s kontinuiranom regulacijom brzine. Višebrzinski asinkroni kavezni motor. (Intermitirani režim rada)
40
9.9.
Elektromotorni pogoni brodskih dizalica
Brodske dizalice mogu imati više motora:
za teretno vitlo za krak dizalice za okretanje dizalice za kretanje uzduž broda za pogon grabilice
Elektromotori za pogon teretnog vitla su termički najopterećeniji motori jer rade u intermitiranom režimu rada S8 pa imaju pridodano i nezavisno hlađenje posebnim ventilatorom i ugrađenu termičku zaštitu. Predviđeno je i do 120 ciklusa na sat. Vitlo je opremljeno i elektromagnetskom kočnicom napajanom istosmjernom strujom iz ispravljača. Teret se može spustiti i ručnim otpuštanjem kočnice.
41
10. Brodska električna rasvjeta Električna rasvjeta je izuzetno važan brodski sustav jer bi bez nje boravak i rad posade na brodu bio praktično nemoguć. Postoje tri osnovne mreže rasvjete:
osnovna rasvjeta (rasvjetljava sve prostore na brodu propisanom razinom rasvijetljenosti u lx); rasvjeta za nužnost (napaja se iz ploče za slučaj nužnosti i obično osigurava 1/3 osnovne rasvjete); rasvjeta za nužnost-pomoćna rasvjeta (napajanje iz akumulatora 24V, 110V ili 220V, ali se primjenjuju i autonomne svjetiljke s vlastitim baterijama).
Kod malih brodova se ne ugrađuje generator za nužnost pa postoji samo rasvjeta za nužnost napajana iz akumulatora. Kao izuzetno važna rasvjetna tijela treba posebno istaći signalnonavigacijska svjetla (bočna svjetla, jarbolna svjetla, proveno i krmeno svjetlo). Za ova se svjetla koriste žarulje s dvostrukim žarnim nitima, osigurana je zvučna i svjetlosna signalizacija kvara (alarm) a napajaju se iz glavne rasklopne ploče i ploče za nužnost. Treba spomenuti i navigacijske reflektore koji pomažu u navigaciji i traženju noću i pri slaboj vidljivosti.
10.1. Izvori svjetlosti Na brodu se danas koriste tri vrste izvora svjetlosti: Žarulje, izvori svjetlosti s izbijanjem u plinu i LED diode. Žarulje su klasični izvori svjetlosti koji rade na principu prolaska struje kroz metalnu nit (žarna nit) što uzrokuje njeno žarenje. Kako bi se usporila oksidacija, odnosno propadanje niti, ona je smještena u staklenom balonu ili cijevi iz kojih je isisan zrak i eventualno dodan halogeni plin, (halogene žarulje). Obične žarulje imaju vijek trajanja oko 1000 sati rada i izuzetno nizak stupanj korisnosti jer se najveći energije pretvara u toplinu a samo 5-15% u vidljivi oblik svjetlosti. Halogene žarulje se griju na višu temperaturu pa imaju bjelje svjetlo i malo veći stupanj korisnosti ali i dvostruko dulji radni vijek (cca 2000 sati rada). Izbijanje u plinu je prolazak struje kroz razrijeđeni plin ili paru pri čemu dolazi do elektromagnetskog zračenja. Valna duljina zračenja različita je za svaki kemijski element. Tako npr. natrijeve pare daju izrazito žuto svjetlo kod kojeg nije moguće razaznavati boje. Kvalitetnije svjetlo se dobiva kombinacijom više kemijskih elemenata. U fluorescentnim lampama se koriste živine pare koje najvećim dijelom stvaraju nevidljivo UV-zračenje, koje međutim izaziva fluorescenciju fluorescentnog premaza s unutarnje strane cijevi. Valna duljina svjetlosti u tom slučaju ovisi o vrsti premaza. Živa i fluorescentni premaz su otrovne tvari koje se ne smije udisati niti dirati, pa pri odlaganju razbijenih živinih lampi treba biti oprezan. Izvori svjetlosti s izbijanjem u plinu imaju mnogo veći stupanj korisnosti i dulji radni vijek (20 000 sati rada za fluorescentne cijevi s induktivnom prigušnicom do 40 000 sati rada s elektronskom prigušnicom. LED diode su najsuvremeniji izvor svjetlosti. Na početku su se koristile kao signalne oznake na panelima i tiskanim pločicama, zatim za osvjetljavanje znakova za npr. evakuaciju da bi prerasle u izvore svjetlosti za baterijske svjetiljke i konačno danas postale ravnopravni izvori svjetlosti žaruljama i izvorima s izbijanjem u plinu. Led diode imaju dvije velike prednosti: Izuzetno visok stupanj korisnosti i izuzetno dug radni vijek. Za sada im je nedostatak relativno visoka cijena, koja se međutim svakim danom sve više smanjuje.
42
10.2. Fluorescentne lampe Na slici 32 je prikazana fluorescentna svjetiljka u kompenziranom induktivnom spoju. Sastoji se od fluorescentne cijevi, prigušnice, startera i kondenzatora za kompenzaciju jalove snage koji nije neophodan (kada ga nema riječ je o induktivnom spoju). Postoji još i kapacitivni spoj kod kojeg je (znatno skuplji) kondenzator spojen u seriju s prigušnicom. Kondenzator je kod kapacitivnog spoja dimenzioniran tako da u kombinaciji s induktivnim spojem (tzv. duo spoj) ukupni cosφ bude 1. Osnovna prednost duo spoja pred kompenziranim induktivnim spojem je fazni pomak u sinusoidama struje dvije lampe što daje ravnomjerniji svjetlosni tok odnosno mnogo manje treperenje svjetlosti. Današnji fluorescentni premazi imaju znatno veću luminiscenciju (isijavanje svjetlosti kada je cijev ugašena) pa se zbog niže cijene uglavnom koriste kompenzirani induktivni spojevi iako je duo spoj i dalje kvalitetnije rješenje.
Slika 32. Fluorescentna svjetiljka u kompenziranom induktivnom spoju Kao i svi drugi izvori svjetlosti s izbijanjem u plinu i fluorescentne lampe moraju imati predspojni uređaj za paljenje. Kod fluorescentnih se lampi još uvijek najčešće koristi tinjalični starter koji predstavlja minijaturnu tinjalicu punjenu plemenitim plinom kojoj je jedna elektroda od bimetalne trake pa se, kada se sklop priključi na mrežni napon i tinjalica svijetli, zagrijava i savija sve dok se ne spoji s drugom elektrodom, odnosno napravi kratki spoj. Tinjalica se pritom ugasi, a kroz elektrode (grijače) fluorescentne cijevi teče struja koja ih zažari. Nakon kratkog vremena bimetalna traka u tinjalici se ohladi i prekine strujni krug. Energija pohranjena u magnetskom polju prigušnice izazove induciranje prenapona veličine 600-2000V koji uz pomoć zagrijanih elektroda upali fluorescentnu cijev. Kako je napon cijevi u pogonu manji od napona paljenja tinjalice ona se više neće upaliti. Prigušnica osim izazivanja prenapona ima i funkciju ograničenja struje odnosno svojim padom napona osigurava radni napon cijevi koji je približno dva puta manji od mrežnog napona. Zbog velikog induktiviteta prigušnice fluorescentna lampa predstavlja izrazito induktivni teret (nizak cosφ) što se paralelno spojenim kondenzatorom kompenzira na približno cosφ=1.
Slika 33. Tandem spoj fluorescentnih cijevi
43
Tandem spoj prikazan na slici 33 koristi se kod manjih fluorescentnih cijevi koje imaju dvostruko manji radni napon (i snagu) od velikih cijevi, pa se serijskim spajanjem dvije male cijevi mogu spojiti na istu prigušnicu kao i jedna velika cijev. Svaka cijev ima svoj starter. Da bi svjetiljka svijetlila svi elementi moraju biti ispravni (obje cijevi, starteri i prigušnica). Ako svjetiljka koja je pod naponom ne svijetli u pravilu se odmah mijenjaju obje cijevi i oba startera ne ispitujući koji je element u kvaru. Najčešći kvarovi na fluorescentnim lampama su gubitak kontakta na spojevima startera (2 kontakta) i spojevima cijevi (4 kontakta), zatim neispravna cijev (pregorjeli grijačielektrode ili izgubljen vakuum), neispravan starter i izuzetno rijetko neispravna prigušnica (kratki spoj ili prekid). U pravilu se bez obzira na vrstu kvara odmah mijenjaju lampa i starter uz istovremenu vizualnu kontrolu kontakata. Cijena startera i lampi je naime toliko niska da se ne isplati gubiti vrijeme na isprobavanje koji je element ispravan a koji pokvaren, jer u krajnjoj liniji i onaj ispravan već ima dovoljno sati rada da će otkazati prije od zamijenjenog elementa što će iziskivati ponovno otvaranje svjetiljke a to je i najveći dio posla kod održavanja. Dakle kada je svjetiljka jednom otvorena pametno je promijeniti sve lampe i startere. Također, jako stare cijevi izgube dio fluorescentnog sloja (najčešće na krajevima) pa tuda emitiraju prilično opasno UV zračenje koje dokazano izaziva rak kože. Kondenzatori za kompenzaciju ponekad eksplodiraju, pri čemu svjetiljke nastave raditi. Eksplozije kondenzatora mogu se ponavljati u kojem ih je slučaju potrebno zamijeniti ili odstraniti. Kako se u praksi kondenzatori za kompenzaciju ne mijenjaju s vremenom polako raste opterećenje transformatora za rasvjetu. Danas se sve češće koriste tzv. elektronske prigušnice koje su jeftinije od klasičnih elektromagnetskih, ne trebaju starter ni kompenzaciju, produljuju trajnost cijevi a lampe se pale trenutno. Tzv. štedne žarulje su u biti integrirane fluorescentne cijevi s elektroničkom prigušnicom.
44
11. Zaštite električnih uređaja broda ELEKTRIČNE ZAŠTITE GENERATORA: Primarne zaštite su smještene u generatorskom prekidaču kojeg kod ispunjenja uvjeta isključuju direktnim mehaničkim putem. To su: Zaštita od kratkog spoja I>> − ima vremensko zatezanje (dt) - zbog selektivnosti Prekostrujna zaštita I> − isključuje na 1,2In − vremensko zatezanje zbog pokretanja velikih motora Podnaponska zaštita U> − rezervna zaštita od kratkog spoja − isključuje na 0,85Un − vremensko zatezanje zbog pokretanja velikih motora, sinkronizacije i selektivnosti isključivanja kratkog spoja Sekundarne zaštite su smještene u GRP, a prekidač u slučaju potrebe isključuju električnim putem pomoću svitka za isključivanje. Uvijek prisutne sekundarne zaštite su: Zaštita od preopterećenja − isključuje manje važna trošila kad je generator preopterećen − prorađuje prije prekostrujne zaštite − vremensko zatezanje zbog pokretanja velikih motora Zaštita od povratne snage − isključuje generatorski prekidač kod negativne snage − sprječava motorski rad generatora kod poremećaja u radu pogonskog stroja (kvar, pogrešno rukovanje) − vremensko zatezanje zbog sinkronizacije i njihanja − 2-4% Pn za turbine 10-15% Pn za dizel motore Termička zaštita − termo sonda u namotima generatora − isključuje generatorski prekidač kod prevelike temperature namota zaštita od zemnog spoja Ostale sekundarne zaštite su: Prekonaponska zaštita − isključuje generatorski prekidač − podešenje 1,2Un uz vremensko zatezanje Podfrekventna i nadfrekventna zaštita − isključuje generatorski prekidač − fmin = 58 Hz fmax = 62 Hz uz vremensko zatezanje
45
Diferencijalna zaštita (zaštita od unutarnjih kvarova) − kod velikih generatora mjeri razliku između struje na ulazu i struje na izlazu svakog faznog namota zasebno − pojava diferencijalne struje od 0,1In znači da je došlo do kratkog spoja u generatoru pa se isključuje generatorski prekidač i uzbuda te zaustavlja pogonski stroj Zaštita od kvarova u uzbudi − isključuje generatorski prekidač kod nestanka uzbude ELEKTRIČNE ZAŠTITE GLAVNE RAZVODNE PLOČE
Podnaponska i prekonaponska zaštita (uglavnom samo alarm) Podfrekventna i nadfrekventna (uglavnom samo alarm) Zaštita od zemnog spoja (isključuje, ili samo daje alarm ovisno o načinu uzemljenja) Zaštita od kratkog spoja Diferencijalna zaštita
ELEKTRIČNE ZAŠTITE SABIRNICA
Zaštita od kratkog spoja (može biti kao dio zaštite generatora) Zaštita od zemnog spoja Provjera sinkronizacije Diferencijalna zaštita (kod prstenastog razvoda)
ELEKTRIČNE ZAŠTITE TRANASFORMATORA
Prekostrujna zaštita Zaštita od kratkog spoja Zaštita od preopterećenja Zaštita od zemnog spoja Podnaponaska zaštita Diferencijalna zaštita (samo kod velikih transformatora)
ELEKTRIČNE ZAŠTITE MOTORA
Prekostrujna zaštita Zaštita od kratkog spoja Zaštita od zemnog spoja Zaštita od preopterećenja Zaštita od negativnog redoslijeda faza Zaštita od prevelike struje pri upućivanju motora Zaštita od zemnog spoja Podnaponska zaštita
11.1. Vremensko-strujne t(I) karakteristike zaštitno sklopnih aparata Kod primjene zaštitno sklopnih aparata, a posebice kod projektiranja selektivne zaštite nužno je poznavati njihove vremensko-strujne ili t(I) karakteristike, tj. odnose između struja opterećenja i vremena djelovanja zaštitno sklopnog aparata (slika 34).
46
Slika 34. Primjer t(I) karakteristike zaštitno sklopnog aparata
11.2. Selektivna zaštita od kratkog spoja Uloga selektivna zaštite od kratkog spoja (slika 35) je da što prije isključi najmanji mogući dio sustava u kojem je nastao kvar. Tako se povećava raspoloživost sustava, jer najveći mogući dio sustava ostaje u radu, ali se istovremeno i olakšava pronalaženje mjesta kratkog spoja. Postoje četiri moguća načina za postizanje selektivne prorade zaštite od kratkog spoja: 1) Selektivnost po struji se koristi u mreži rasvjete i na manjim razdjelnicima snage a zasniva se na bržoj proradi osigurača s manjom nazivnom strujom. Brzina prorade je određena t(I) karakteristikom osigurača (prekidača) i mora se paziti da se t(I) karakteristike hijerarhijski povezanih osigurača ne sijeku jer bi to moglo izazvati neselektivno isključivanje većeg dijela sustava od nužno potrebnog. To je vrlo brzi sustav zaštite koji ne produljuje trajanje kratkog spoja već ga u vrlo kratkom vremenu isključuje i tako dobro štiti sustav od većih oštećenja ali i većih propada napona i frekvencije.
47
2) Selektivnost po vremenu se zasniva na uvođenju vremenskog kašnjenja od po 0,2 s kod svakog hijerarhijski višeg prekidača u sustavu. Tako krajnji prekidači (osigurači) izbacuju trenutno, a prekidači preko kojih je izvedeno napajanje razdjelnika na koji su krajnji prekidači spojeni kasne 0,2s. Prekidači na sljedećem nivou kasne 0,4s i tako dalje sve do generatorskih prekidača koji isključuju posljednji. Prednost vremenske selektivnosti je njeno jednostavno projektiranje i preglednost, a nedostatak da bliski kratki spoj koji bi inače bio vrlo brzo isključen traje mnogo duže i tako ugrožava stabilnost sustava zbog pada frekvencije i napona. Također generatori trpe veliku struju kratkog spoja dulje vrijeme, a na mjestu kvara dolazi do većih oštećenja. 3) Kombinirana selektivnost se najviše koristi a predstavlja kombinaciju strujne selektivnosti (na krajnjim odvodima) i vremenske selektivnosti prema generatorskim prekidačima. 4) Zonska selektivnost je najsuvremenije i najskuplje rješenje koje koristi numeričke zaštitne releje s mogućnošću međusobne komunikacije. Sabirnica (razdjelnika ili rasklopne ploče) se štiti tako da prekidač u napojnom vodu (nadređeni prekidač) isključuje samo ako niti jedan od odvodnih prekidača ne dojavljuje kratki spoj. Zaštita djeluje gotovo trenutno i tako čuva stabilnost sustava. U slučaju prekida komunikacije prelazi se na vremensku selektivnost. To znači da paralelno s komunikacijom prekidač odbrojava podešeno vrijeme i isključuje kada ono istekne.
Slika 35. Primjer selektivne zaštite od kratkog spoja
48
12. Sigurnost 12.1. Opasnost od eksplozije U zonama gdje postoji povećana opasnost od eksplozije moraju se koristiti tzv. protueksplozijske izvedbe električnih uređaja, čija je oznaka prikazana na slici 36.
Slika 36. Oznaka za električne uređaje u protueksplozijskoj izvedbi Za sprječavanje mogućih uzroka eksplozije koriste se slijedeće metode:
Oklapanje ugroženog prostora (unutar uređaja) radi lokalizacije eksplozije (Exd) Ograničenje energije uzročnika paljenja (Exi) Ograničenje temperature uzročnika paljenja uz posebne mjere za smanjenje njegove pojave zbog greške (Exe, Exn) Izoliranje uzročnika paljenja od eksplozivne smjese krutim tekućim ili plinovitim medijem (Exp, Exq, Exo)
S obzirom na korištenu metodu, protueksplozijski uređaji se klasificiraju prema slijedećim oznakama: Exd - neprodorni oklop (eng. flameproof enclosure) Kućište uređaja dozvoljava ulazak eksplozivne smjese ali je tako projektirano da izdrži eksploziju pa ne može doći do paljenja okolnog prostora. Uglavnom se koristi za svjetiljke, elektromotore i sklopke. Izlaz plamena je konstrukcijski spriječen širokim i preciznim spojevima vanjskih dijelova uređaja. Exi – samo sigurnost (eng. intrinsic safety) Napajanje uređaja je izvedeno s ograničenjem napona i struje tako da niti u slučaju kratkog spoja nema dovoljno energije za stvaranje električnog luka (iskre). Posebni zaštitni modul osigurava svaki strujni krug. Kod prorade zaštite modul se mora zamijeniti. Kabeli moraju biti jasno označeni i polagani odvojeno od drugih kabela s kojima se križaju pod pravim kutom. Uglavnom se koristi za komunikacije, signalizaciju, mjerenje i upravljanje. Exia je sigurnija izvedba koja dozvoljava dvije istovremene greške u sustavu, dok Exib dozvoljava samo jednu grešku. Exe - povećana sigurnost (eng. increased safety) Nema neke posebne zaštite od eksplozije već je izvedba takva da onemogućuje pojavu jakog zagrijavanja, iskrenja ili kratkog spoja, a kućište je otpornije na udarce i prodor tekućine ili stranih tijela. Uglavnom se koristi za elektromotore, svjetiljke i priključne kutije.
49
Exn – ne iskreća oprema (eng. non-sparking) Slično kao Exd uređaji ne stvaraju iskre i nemaju jako zagrijanih površina, ali su zahtjevi općenito mnogo blaži. Uređaji jako nalikuju na standardne izvedbe. Exp - nad tlak (eng. pressurisation) U uređaj se dovodi komprimirani plin (zrak ili dušik) tako da je tlak u njemu uvijek malo viši od tlaka u okolnom prostoru. Na taj način eksplozivna smjesa ne može ući u uređaj pa eventualno iskrenje ne može izazvati eksploziju. Uređaj se prije puštanja u pogon mora propuhati kako bi se odstranila eksplozivna smjesa koja se mogla nakupiti dok nije bilo nad tlaka. U slučaju gubitka tlaka aktivira se alarm, a uređaj se isključuje. Uglavnom se koristi za motore, svjetiljke i instrumente. Exs - posebne mjere zaštite (eng. special protection) Posebno atestirana oprema za konkretnu situaciju. Exq – punjeno prahom (eng. powder filled) Eksplozivna smjesa ne može ući jer je uređaj napunjen prahom. Exo – punjeno uljem (eng. oil immersed) Eksplozivna smjesa ne može ući jer je uređaj napunjen uljem. S obzirom na stupanj opasnosti od nastanka eksplozije na plovnim objektima, vrši se podjela u tri zone: Zona 0 - eksplozivna koncentracija je trajno ili dugotrajno prisutna (zatvoreni prostori spremišta, odjeljaka i prostorije sa pumpama goriva i tereta...). Smije se koristit samo Exi i Exs oprema. Zona 1 - velika vjerojatnost pojave eksplozivne koncentracije tijekom normalnih uvjeta eksploatacije (zatvoreni i poluzatvoreni prostori, na palubi tankera, prostori koji graniče s odjeljcima i spremištima, akumulatorska stanica ...). Pored Exi, Exs može se koristiti i Exp, Exd i Exe oprema. Zona 2 - mala vjerojatnost kratkotrajne pojave eksplozivne koncentracije tijekom normalnih uvjeta eksploatacije (otvoreni prostori na palubi tankera na određenoj udaljenosti od zone 1). Dozvoljeno je korištenje i Exn, Exo i Exq opreme. Kod protueksplozijske izvedbe vrlo je važno znati i temperaturnu klasu uređaja. Ona definira najveću moguću temperaturu površine komponenti uređaja u ispravnom stanju ili kod kvara. Pretpostavljena temperatura okoline je 40ºC. Temperaturna klasa (tablica 3) ne smije biti viša od temperature paljenja eksplozivne smjese koja se očekuje. Tablica 3. Temperaturne klase protueksplozijske opreme Temperaturne klase protueksplozijske opreme T1 do 450°C T2 do 300°C T3 do 200°C T4 do 135°C T5 do 100°C T6 do 85°C
50
Uređaji u protu eksplozivnoj izvedbi moraju se označiti i prema grupi plinova za koje je dozvoljeno njihovo korištenje (tablica 4). Tablica 4. Grupe plinova protueksplozijske opreme Grupe plinova protueksplozijske opreme Grupa I Metan (najmanje opasan) Amonijak, ugljični monoksid, propan, Grupa IIA butan, metanol, etanol, aceton, …) Grupa IIB Etilen, etilen oksid Grupa IIC Vodik (najopasniji) Oprema s oznakom IIC može se koristiti i za grupe plinova IIA i IIB, a oprema s oznakom IIB i za grupu plinova IIA.
12.2. Statički elektricitet Statički elektricitet nastaje kao posljedica akumulacije naboja na površini objekta i predstavlja fizički fenomen koji je povezan s nabojima u mirovanju. Manifestira se kao razlika potencijala (napon) pojedinih dijelova opreme i ljudi prema masi broda (do cca. 4000V), te se najčešće javlja na:
ljudima i njihovoj odjeći svim el. izoliranim dijelovima brodske opreme (cijevi za pretakanje, metalni dijelovi položeni na nevodljivu podlogu, itd.) isturenim dijelovima broda kada je u blizini nabijeni oblak
Najčešće nastaje kao posljedica triboelektričkog efekta, odnosno trenja između dvaju različitih materijala pri čemu jedan gubi, a drugi preuzima elektrone, npr. strujanjem zraka (vjetar), strujanjem tekućine u cijevima kod prekrcaja tereta, hodanjem po sintetičkoj podlozi, itd. Također može nastati kao posljedica piezoelektričkog efekta (proces razdvajanja naboja kod nekih materijala kad na njih djeluje mehanička sila), piroelektričkog efekta (razdvajanje naboja pod djelovanjem topline), te uslijed elektrostatske influencije (npr. električki nabijeni oblak privlači suprotne naboje na brodski gromobran). Statički elektricitet koji se nakuplja na ljudima i dijelovima opreme neugodan je ali nije direktno opasan za ljude jer nema dovoljno energije. Statički je elektricitet izuzetno opasan u zonama opasnosti od eksplozije jer može uzrokovati iskru a time i zapaljenje eksplozivne smjese. Mjere za sprječavanje posljedica statičkog elektriciteta su:
uzemljenje svih vodljivih dijelova vlažan zrak (iznad 60%) cipele s poluvodljivim đonom vodljivi podovi uzemljeni metalni opleti na cijevima gromobran
Na brodu je posebno opasan atmosferski statički elektricitet zbog mogućeg udara groma. Upravo iz tog razloga na brodu je obavezna gromobranska instalacija koja štiti uređaje na palubi teret.
51
Gromobran izbija okolnu atmosferu i time sprječava pojavu groma, odnosno munje. Ukoliko do udara groma ipak dođe, mora biti sposoban njegovu energiju sigurno sprovesti do uzemljivača. Sastoji se od:
hvataljke groma odvodnog voda uzemljenja
Štićena zona je oblika stošca s hvataljkom na vrhu i plaštem pod kutom 45º od vertikale. Hvataljka groma (zašiljena metalna šipka minimalnog promjera 12mm) mora biti postavljena na sve jarbole tako da ih nadvisuje za najmanje 30 cm. Odvodni vod mora biti neprekinut i ne smije prolaziti kroz zatvorene prostore i zone opasnosti od eksplozije. Dok je brod u doku i na navozu gromobranska instalacija se obavezno mora spojiti s kopnenim uzemljenjem ili uzemljenjem plovnog doka.
12.3. Zaštita od električne struje Djelovanje električne struje na čovjeka:
Biološko (grčenje mišića, treperenje i paraliza srca, paraliza disanja, nesvjestica, smrt) Toplinsko (vanjske i unutarnje opekotine zagrijavanje krvnih žila) Elektrolitsko (rastvaranje krvi i drugih tjelesnih tekućina) Mehaničko (lomljenje kostiju, iščašenje zglobova, kidanje mišića i tetiva)
Stupanj opasnosti od strujnog udara ovisi o:
putu prolaska struje kroz čovjeka (srce) frekvenciji struje (40-60Hz najopasnije) jakosti struje: -
0,6-3mA donji prag osjeta 10-15mA grčenje mišića 20-25mA problemi s disanjem 50mA donja granica smrtne opasnosti 100mA gotovo sigurna smrt
trajanju strujnog udara (ako je kraće od 0,1s nema posljedica niti kod 100mA)
Tehničke mjere zaštite od udara električne struje: Principi zaštite:
onemogućiti dodir s dijelom uređaja koji je pod naponom ograničiti jakost struje (napon dodira) na bezopasan iznos ograničiti vrijeme trajanja strujnog udara
Mjere zaštite:
Izvan dohvata (dijelovi pod naponom su ograđeni ili dovoljno udaljeni) Izolacija (dijelovi pod naponom su odijeljeni izolacijom (kućište, tipkala, ručice ...) Dvostruka izolacija (kućište može biti metalno ali je električni dio dvostruko izoliran) Sigurnosni napon (napon instalacije niži od 50V)
52
Galvansko odvajanje (izolacijski transformator 1:1 onemogućuje zatvaranje strujnog kruga kroz čovjeka) Zaštitno uzemljenje (izjednačenje potencijala svih dostupnih vodljivih dijelova s potencijalom trupa)
Mjere zaštite pri radu s električnom strujom:
nositi suhu odjeću i cipele s gumenim potplatom isključiti strujni krug sa napajanja ako je moguće osigurati da ne može doći do hotimičnog uključenja (izvaditi osigurač, zaključati sklopku ili prekidač, blokirati automatiku) postaviti znak upozorenja na bitnim mjestima obavijestiti sve involvirane što radite, a posebno one koji mogu daljinski hotimice uključiti uređaj na kojem radite. po potrebi koristiti gumenu prostirku za klečanje, ležanje ili sjedenje koristiti alat s izoliranim drškama prije prvog kontakta sa strujnim krugom provjeriti provjerenim voltmetrom ili ispitivačem s dvije žice da li je isti pod naponom (ne smije se koristiti kućni ispitivač napona – odvijač) ako se strujni krug ne može isključiti koristiti gumene ili suhe kožne rukavice koristiti plastičnu zaštitnu kacigu kada postoji opasnost od kontakta s vodičima pod naponom ili ozlijede glave prilikom pada vezati se kod rada na visini prije pružanja pomoći unesrećenom isključiti napajanje ako je moguće, a ako nije koristiti neki izolator (suhe rukavice, komad suhe odjeće, cipelu...) pri njegovom odvajanju vodiča pod naponom
53
13. Primjena visokog napona na brodu i procedure za rad s visokim naponom Kao što je već spomenuto u poglavlju 2.5, porastom instalirane snage i gradnjom tehnički sve zahtjevnijih brodova sve se više prelazi na primjenu visokog napona. Glavni razlozi za korištenje visokog napona na brodovima su:
Prevelika struja kratkog spoja kod niskog napona (struja kratkog spoja se smanjuje obrnuto proporcionalno naponu, a veća struja kratkog spoja zahtijeva korištenje skupljih prekidača) Smanjenje mase i volumena električne opreme Jednostavnije provlačenje i priključivanje kabela (tanji kabeli i manje priključne kutije) Povećanje stupnja korisnosti (gubici u bakru smanjuju se obrnuto proporcionalno kvadratu napona)
Standardne vrijednosti visokog napona na brodovima, pri frekvenciji od 60 Hz su: 3300V, 6600V i 11000V. Primjena visokog napona zahtjeva i poznavanje posebnih procedura i mjera zaštite. Sve osobe koje su direktno uključene u održavanje visokonaponske opreme i uređaja moraju posjedovati ovlaštenje o osposobljenosti za rad s visokim naponom, koje se izdaje nakon pohađanja odgovarajućeg tečaja. Prilikom radova na visokonaponskim sustavima potrebno se je pridržavati osnovnog pravila: Osim mjerenja sa ispitivačem napona nikakvi drugi radovi pa ni mjerenja nisu dozvoljeni dok sistem nije uzemljen. Radnik niti u kojem slučaju ne smije dodirnuti fazne vodiče niti se približiti istima dok sistem nije uzemljen bez obzira što je isključen sa napajanja.
Slika 37. Ispitivač visokog napona Osim mjerenja sa ispitivačem napona nikakvi drugi radovi pa ni mjerenja nisu dozvoljeni dok sistem nije uzemljen. Radnik niti u kojem slučaju ne smije dodirnuti fazne vodiče niti se približiti istima dok sistem nije uzemljen bez obzira što je isključen sa napajanja. Kod prilaženja HV opremi uvijek moraju biti dvojica, nikad samo jedan član posade. Smisao je da jedan ništa ne dira već samo pažljivo kontrolira rad drugoga. Oba moraju biti obučeni na tečaju za visoki napon. Prije uzemljavanja treba obavezno provjeriti da nema napona na tom dijelu sistema/uređaja. Provjera se obavlja isključivo posebnim visokonaponskim ispitivačem napona (dugačka drška) (slika37). Prije svake upotrebe ispitivač treba testirati. Prvo se spoji stezaljka na masu a, zatim se sa štapom dodirne stezaljka koja se provjerava. Uzemljavanje se obično vrši pomoću rastavljača (slika 38a), a tamo gdje nije predviđeno uzemljavanje sa rastavljačem (manje
54
važni krugovi) koristi se prijenosni kabel za uzemljenje sa 4 kraja (tzv. 'pauk') (slika 38b) od kojih se najprije jedan spaja na masu a zatim ostala tri na svaku fazu koja se uzemljuje. Nakon završetka posla redoslijed je obrnut. Prije nego se krene sa iskapčanjem i uzemljenjem visokonaponskih električnih uređaja potrebno je analizirati sve korake sa stanovišta sigurnosti. Obično su te sigurnosne procedure pohranjene u obliku pisanog dokumenta (Job Safety Analysis Form) i u njima je detaljno opisana procedura za izolaciju i uzemljenje pojedinog uređaja, te njihovo ponovno vraćanje u radno stanje. Iste te procedure nalaze se i unutar dozvole za rad s visokim naponom kako bi svaki korak kod izolacije bio propisno sproveden.
Slika 38. Rastavljač za uzemljenje (a); prijenosni kabel za uzemljenje (b) Dozvola za rad na visokom naponu (HV work permit ili EPTW -electrical permit to work)), potpisana i odobrena od strane odgovorne osobe, predstavlja službeni dokument, koji omogućuje vršenje radova na postrojenjima i uređajima visokog napona unutar jasno definiranog vremenskog intervala. Osoba koju ju popunjava i vrši iskapčanje, odnosno elektro časnik za sigurnost (Safety Electrical Engineer) ne mora nužno biti i odgovorna osoba. Odgovorna osoba čiji potpis je potreban da bi dozvola bila važeća je u pravilu glavni elektro časnik (Chief Electrotechnical Officer (CETO). Prilikom iskapčanja električne propulzije potrebne su najmanje dvije kvalificirane osobe, od kojih barem jedna mora imati ovlaštenje za rad s visokim naponom. Dozvola za rad s visokim naponom obično ima pet dijelova: 1. Utvrđuje se posao koji treba obaviti. Potpisuje odgovorna osoba. 2. Risk Assessment (procjena opasnosti) utvrđuje na kojim mjestima treba izolirati i uzemljiti sistem i gdje treba postaviti pločice danger/caution. Potpisuje ga glavni elektro časnik (Chief Electrotechnical Officer -CETO) ili upravitelj stroja (Cheef Engineer). 3. Osoba odgovorna za postavljeni zadatak potpisuje da izjavljuje da je zadovoljna sa mjerama opreza i da je HV krug bio izoliran i uzemljen. 4. Izvještaj o obavljenom poslu ili odustajanju od istog potpisuje osoba odgovorna za postavljeni zadatak. 5. Poništenje EPTW sa potpisom odgovorne osobe koja ga je i izdala. I bez poništenja EPTW obično važi samo 24 sata. Kako bi se pogreške prilikom izolacije svele na minimum koristi se sustav sigurnosnih ključeva koji uključuje dvostruke brave sa samo jednim ključem, kao mehanička zaštita od ljudske pogreške. Jedan prekidač se ne može uključiti dok se drugi ne isključi izvuče ključ i otključa prekidač koji se želi uključiti i obratno. Postupak izolacije glavnog generatorskog prekidača pomoću sustava sigurnosnih ključeva prikazan je na slici 39.
55
Slika 39. Postupak izolacije glavnog generatorskog prekidača pomoću sustava sigurnossnih ključeva
13.1. Ispitivanje izolacije i spojeva na VN uređajima Za 6,6kV sistem se koristi se 5kV Mohm metar, a za 3,3kV 2kV Mohm metar. Ispitivanje traje 1minutu. Minimalna vrijednost otpora izolacije je Un+1kV (Mohm). Za 6,6kV to znači 6,6+1=7,6 Mohm. Kod zdrave izolacije ova vrijednost je obično i do 100 puta veća. PI (polarisation index) je detaljniji test izolacije koji se radi u sumnjivim situacijama i eventualno jednom godišnje. PI je odnos izmjerenog otpora izolacije nakon 10minuta testiranja sa onim nakon prve minute testiranja. Za klasu F izolacije preporučena vrijednost PI je 2. PI test se izvodi sa posebnim uređajem koji ima motorni pogon induktora ili elektronički pretvarač napajan iz 220V jer običan MΩ metar ne može 10 minuta davati 5000V. Prilikom snimanja stanja spojeva unutar VN uređaja pomoću IC termografske kamere treba prvo isključiti uređaj i zatim brzo snimiti s kamerom prije nego što se spojevi potpuno ohlade. Ne smije se prilaziti VN sistemu dok je uključen. Na važna mjesta mogu se staviti prozorčići koji omogućuju sigurno snimanje u radu. U normalnom radu prozorčići su prekriveni čeličnim poklopcem.
56
14. Električni poriv broda Pod električnom propulzijom se uobičajeno podrazumijeva elektromotorni pogon brodskog vijka. Preciznije se dijeli na:
potpuno električnu propulziju (podmornice, turističke eko-brodice) propulziju s električnim prijenosom (dizel-električna, turbo-električna (plinske i parne turbine))
14.1. Potpuno integrirani elektroenergetski sustav
Slika 40. Potpuno integrirani elektroenergetski sustav (IFEP-Integrated Full electric Ship) Danas je aktualna koncepcija potpuno integriranog elektroenergetskog sustava (IFEP Integrated FullElectric Ship), koju karakterizira jedna električna centrala s konstantnom frekvencijom i naponom mreže koja pokriva električnu propulziju ali i svu ostalu potrošnju električne energije na brodu (slika 40). Pretežno se koristi izvedba s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP) uz regulaciju broja okretaja propulzijskih elektromotora pomoću statičkih pretvarača frekvencije, dok se izvedba s brodskim vijkom s prekretnim krilima CPP uz konstantan broj okretaja propulzijskog elektromotora uglavnom napušta.
14.2. Eksploatacijske povoljnosti električne propulzije Najznačajnije prednosti korištenja električne propulzije su:
povećanje i povoljniji raspored korisnog brodskog prostora mnogo bolje manevarske sposobnosti manja potrošnja goriva
57
velika snaga centrale za napajanje ostalih tehnoloških sustava
Smanjenje potrošnje goriva primjenom električne propulzije: Iako ima ukupno 8-12% gubitaka energije u konverziji i prijenosu u odnosu na2-4% kod direktne mehaničke propulzije (slika 41), električna propulzija štedi gorivo jer omogućuje:
rad pogonskih strojeva s konstantnim okretajima u području oko optimalnog opterećenja kod svih brzina broda (postiže se uključivanjem odgovarajućeg broja agregata) veći hidro-dimanički stupanj korisnosti zbog: povoljnijeg položaja vijka, povoljnijeg nagiba vijka, većeg promjera vijka i primjene podtrupnih porivnika.
Slika 41. Bilanca snage propulzije s električnim prijenosom
g/kWh 205
električna propulzija (4 dizel-generatora i 2 podtrupna potisnika) dizel-mehanička propulzija (4 dizel-motora, 2 reduktora i 2 vijka) direktna dizel-mehanička propulzija (2 dizel-motora i 2 vijka)
200 195 190 185 180 175 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100% P/Pn
Slika 42. Usporedba specifične potrošnje goriva u zavisnosti od ukupne razvijene
snage na osovinama dizelskih motora Povećanje korisnog brodskog prostora primjenom električne propulzije: Postiže se: smanjenjem strojarnice korištenjem bržih dizel-motora i plinskih turbina za pogon generatora umjesto sporohodnih motora za direktnu dizel-mehaničku propulziju
58
povoljnijim smještajem pogonskih strojeva unutar jedne ili više proizvoljno raspoređenih manjih strojarnica zahvaljujući potpunoj slobodi koju daje električni prijenos snage
TERET
a) Direktna dizel-mehanička propulzija
TERET
b) Dizel-mehanička propulzija s reduktorima
TERET
c) Električna propulzija s ugrađenim propulzijskim elektromotorima
TERET
d) Električna propulzija s podtrupnim potisnicima
Slika 43. Iskorištenje brodskog prostora kod različitih koncepcija propulzije
Povećanje manevarskih svojstava broda primjenom električne propulzije: momentne karakteristike s konstantnim maksimalnim momentom manje zamašne mase izložene promjeni brzine kod dinamičkih promjena rad pogonskih strojeva s konstantnim brojem okretaja jednostavno povezivanje u sustav dinamičkog pozicioniranja jednostavna instalacija snažnih pramčanih i krmenih bočnih porivnika jednostavnija izvedba dinamičkog pozicioniranja Primjena zakretnih podtrupnih porivnika (POD) donosi dodatne prednosti: sposobnost zakretanja ravnine vijka manje zamašne mase veliki krmeni bočni poriv krmenih bočnih porivnika Ekološke prednosti električne propulzije: smanjenje potrošnje goriva smanjenje emisije štetnih plinova smanjenje buke i vibracija povećanje sigurnosti broda izbjegavanje sidrenja produljenje eksploatacijskog vijeka broda Smanjenje buke i vibracija primjenom električne propulzije: korištenje manjih srednjohodnih ili brzohodnih dizel-motora i plinskih turbina povoljniji smještaj dizel-motora eliminaciju reduktora smanjenje torzijskih vibracija na brodskom vijku zbog mirnog rada propulzijskog elektromotora
59
Dodatno smanjenje buke i vibracija primjenom podtrupnih porivnika: eliminacija dugačkih osovinskih vodova povećanje razmaka između oboda vijka i trupa Povećanje sigurnosti primjenom električne propulzije: Električna propulzija povećava sigurnost broda kroz: visok stupanj raspoloživosti pogona broda (otkazivanje jedne pa i više komponenti u sustavu ne ostavlja brod bez pogona već se samo smanjuje snaga propulzije) (slika 40) bolja manevarska svojstva manju opasnost od požara širih razmjera (više odvojenih strojarnica)
Slika 44. Tipični elektroenergetski sustav broda s dvovijčanom električnom propulzijom
14.3. Propulzijski elektromotori Danas se u sustavima električne propulzije komercijalno koriste tri vrste motora:
sinkroni motori s uzbudnim namotima sinkroni motori s permanentnim magnetima asinkroni kavezni motori
Treba spomenuti da su se u počecima primjene električne propulzije koristili istosmjerni kolektorski motori zbog jednostavne regulacije broja okretaja, no razvojem statičkih pretvarača frekvencije za pogon izmjeničnih elektromotora postepeno su izašli iz upotrebe. Centrifugalna karakteristika momenta određena parametrima brodskog vijka i eksploatacijski radni ciklus postavljaju pred propulzijski elektromotorni pogon sljedeće osnovne zahtjeve:
nizak broj okretaja veliki moment
60
sposobnost regulacije brzine povremeni četverokvadratni intermitirani pogon
Pored navedenih osnovnih zahtjeva, propulzijski elektromotori moraju ispuniti i niz drugih tehničko-ekonomskih i sigurnosnih uvjeta koji proizlaze iz specifičnosti eksploatacije broda:
besprijekoran rad u ekstremnim klimatskim uvjetima besprijekoran rad pri propisanim nagibima otpornost na vibracije i udarce otpornost na koroziju visoki stupanj korisnosti male dimenzije a posebno promjer motora mala težina visoka pouzdanost tolerantnost na kvarove mali obim i jednostavnost održavanja mogućnost rada s jednostavnijim pretvaračima frekvencije visoki faktor snage povoljna cijena
14.3.1. Asinkroni kavezni motori: Prednosti asinkronih kaveznih motora proizlaze iz jednostavne i robusne konstrukcije rotora. To su:
jednostavno održavanje niska cijena dobra mogućnost preopterećenja robusnost i pouzdanost male dimenzije i težina jednostavnije upravljanje.
Proizvodnja asinkronih motora je zbog jednostavne izvedbe rotora i odsustva dodatnih namotaja i uređaja (npr. prigušni kavez, uzbudnik i klizni koluti kod sinkronih motora), te korištenja standardnih materijala (bakar, dinamo-limovi, čelik, izolacija) relativno jeftina. U potpuno zatvorenoj izvedbi, primjerice unutar podtrupnog potisnika, asinkroni motor ne zahtijeva nikakvo održavanje. Zbog kompaktne izvedbe izvlačenje rotora je jednostavnije i manje rizično nego kod drugih vrsta motora. Robusni dobro učvršćeni namotaji uz visok prekretni moment omogućuju veća kratkotrajna preopterećenja od sinkronih motora. Asinkroni motori su izuzetno pouzdani, a najčešći kvarovi su vezani za ležajeve. Kvalitetno napravljeni asinkroni propulzijski motori mogu bez održavanja i zastoja odraditi ekonomski vijek broda. Asinkroni motori mogu se izraditi s relativno malim promjerom i težinom, pa predstavljaju vrlo kvalitetno rješenje za električnu propulziju, posebice u kombinaciji s reduktorom, kada rade na višim okretajima, što je sve češće rješenje na npr. tankerima za prijevoz kemikalija. U odnosu na sinkrone motore kod pokretanja asinkronih motora nije potrebno određivanje pozicije rotora što pojednostavljuje sustav upravljanja. Asinkroni se motor razlikuje od istosmjernih i sinkronih po tome što nema klasične uzbude pa je jako izražen problem gubitka magnetskog protjecanja u zračnom rasporu, što je i osnovni uzrok njegovim nedostacima:
manji zračni raspor
61
niži stupanj korisnosti niži faktor snage.
Smanjenje zračnog raspora osnovni je problem konstruktora asinkronih motora, posebno kada su u pitanju velike snage i male brzine. Iako jednostavna i kompaktna izvedba rotora i suvremena tehnologija izrade dozvoljava maksimalno smanjenje zračnog raspora, ostaje problem zračnosti ležaja. Na velikim asinkronim propulzijskim motorima (20 MW, 180 min-1) uspjelo se smanjiti zračni raspor na 5mm.
14.3.2. Sinkroni motori s uzbudnim namotajima: Sinkroni motori se tradicionalno koriste u električnoj propulziji još od njenih početaka, kada se broj okretaja regulirao promjenom brzine pogonskih strojeva, uglavnom parnih turbina, ali je njihova dominacija započela pojavom tiristorskih pretvarača frekvencije koji su na zadovoljavajući način riješili regulaciju brzine, ali i problem pokretanja. Pogodovala im je niska izlazna frekvencija ciklokonvertera i mogućnost korištenja sinkrokonvertera koji su dugo vremena bili jedini dovoljno snažni pretvarači frekvencije za električnu propulziju. Sinkroni strojevi desetljećima dominiraju na području električnih propulzija najvećih snaga koje za pogon brodskih vijaka velikih promjera zahtijevaju mali broj okretaja. Donja ekonomična granica nazivne brzine velikih sinkronih motora je oko 80 min-1, bez ograničenja po snazi što u potpunosti zadovoljava potrebe električne propulzije najvećih brodova. Zahvaljujući uzbudnim namotima sinkroni motori mogu imati veliki zračni raspor (>12 mm), pa njihova izrada i ugradnja zahtijevaju manju preciznost, a uz to su jako otporni na mehaničke udarce i vibracije. Uzbuda omogućuje i rad s visokim faktorom snage koji se po želji može mijenjati. Faktor korisnosti od 97% se u svakom slučaju treba smatrati vrlo visokim. Usprkos velikom broju dijelova i kompliciranijoj konstrukciji zbog osiguravanja uzbude, cijena sinkronih motora nije previsoka jer se za razliku od motora s permanentnim magnetima koriste samo standardni jeftini materijali. Tome svakako doprinosi i velika raširenost sinkronih strojeva (posebno generatora) te prema tome i uhodana proizvodnja s osiguranim tržištem. Prednosti sinkronih motora s klasičnom uzbudom su dakle:
kompatibilnost s ciklokonverterom i sinkrokonverterom veliki zračni raspor vrlo velike snage visok faktor snage visok stupanj korisnosti niska cijena
Postoji međutim i niz nedostataka:
velika masa veliki promjer i dimenzije složenije održavanje manja pouzdanost
Zbog glomaznijeg rotora s uzbudnim namotajima i pripadajućeg sustava napajanja uzbude klasični sinkroni motori su primjetno većeg promjera i mase od asinkronih motora i posebno motora s permanentnim magnetima. Manja pouzdanost i obimnije održavanje također su posljedica relativno kompliciranog uzbudnog kruga koji obuhvaća veći broj dijelova i kontakata.
62
14.3.3. Sinkroni motori s permanentnim magnetima: Otkrićem magneta zasnovanih na metalima rijetkih zemalja (SmCo i NdFeB) sedamdesetih godina prošlog stoljeća i razvojem energetske elektronike otvoren je put za gradnju velikih motora s permanentnim magnetima. Daljnjim usavršavanjem permanentnih magneta, uz postepeni pad cijena magneta i pretvarača frekvencije, tek su posljednjih petnaestak godina stvoreni uvjeti za proizvodnju komercijalno konkurentnih velikih motora za električnu propulziju brodova.
Slika 45. Sinkroni motor s permanentnim magnetima: a) uzdužni presjek, b) poprečni presjek Prema smjeru silnica glavnog magnetskog polja motori s permanentnim magnetima se dijele na motore s radijalnim, aksijalnim ili transverzalnim magnetskim tokom. Velika većina današnjih električnih rotacijskih strojeva građena je s radijalnim smjerom glavnog magnetskog polja. Sinkroni motor s permanentnim magnetima na rotoru također ima radijalno magnetsko polje (Slika 45.). Razlikuje se od konvencionalnog sinkronog stroja po tome što nema uzbudnih namota pa tako ni potrebe prijenosa električne energije na rotor. Osim uzbudnih namota nestali su i uzbudni ispravljači, četkice i klizni koluti, odnosno rotacijski transformatori i tiristorskih regulatori napona, što sve značajno pojednostavljuje konstrukciju, upravljanje i održavanje, te povećava pouzdanost. Kako na rotoru nemanamota, a magnetski tok mu je vremenski nepromjenljiv gubici u rotoru su praktično zanemarivi. Statorski paket je također relativno jednostavan i izrađen u obliku koji osigurava dobar prijenos topline na kućište. Zbog toga se sinkroni motori s permanentnim magnetima bez većih problema s hlađenjem izrađuju i u potpuno zatvorenoj izvedbi, što je posebno pogodno za podtrupne porivnike koji se hlade vodom preko kućišta. Tome pogoduje i izuzetno visok stupanj korisnosti, odnosno manje topline koju treba odvesti. Jednostavnost konstrukcije osigurava dobru otpornost na vibracije i mehaničke udare usprkos relativno malom zračnom rasporu (5 mm kod motora od 20 MW za 180 min-1). Najveća prednost sinkronih motora s permanentnim magnetima su međutim mala težina i promjer, po čemusu najbolji među propulzijskim motorima koji se danas mogu naći na tržištu. Osnovni nedostatak im je vrlo visoka cijena, kao posljedica vrlo skupih NdFeB permanentnih magneta. Ovi uvjerljivo najkvalitetniji magneti se nalaze na tržištu od početka 90-tih godina prošlog stoljeća. Osim visoke cijene NdFeB magneti imaju još dva nedostatka: jako su osjetljivi na koroziju i teško se obrađuju što također povisuje cijenu izrade. Umjesto NdFeB mogli bi se koristiti i znatno jeftiniji feritni permanentni magneti, ali bi se u tom slučaju izgubile osnovne prednosti motora: njegove dimenzije i težina. Permanentni magneti su osjetljivi i na povišenu temperaturu. Ukoliko se pređe maksimalna dozvoljena temperatura (150ºC za NdFeB) magnetski se materijal nepovratno uništava pa motori moraju biti projektirani tako da imaju male gubitke i dobro hlađenje. Zbog izuzetno velikih magnetskih sila demontaža motora s permanentnim magnetima je neizvediva u pogonskim uvjetima.
63
14.4. Propulzijski pretvarači frekvencije Osnovni zadatak pretvarača frekvencije u sustavu električne propulzije je da omogući promjenu smjera vrtnje i broja okretaja propelera u širokom rasponu brzina. Pored toga pretvarač frekvencije najčešće još i reducira frekvenciju izvora kako bi se ona prilagodila predviđenom nominalnom broju okretaja propulzijskog motora, odnosno brodskog vijka. Kao i sva druga brodska oprema, pretvarači frekvencije moraju biti prilagođeni eksploataciji u brodskim uvjetima, odnosno ispunjavati propise i pravila o gradnji brodova. Električna propulzija postavlja pred pretvarače frekvencije sljedeće zahtjeve:
veliku snagu rad u sva četiri kvadranta visoki stupanj korisnosti nizak sadržaj viših harmonika na izlazu nisko izobličenje ulazne struje visok faktor snage visoku pouzdanost jednostavnost održavanja i dijagnostike malu masu i volumen nisku cijenu
14.4.1. Sinkrokonverter: Sinkrokonverter je indirektni pretvarač frekvencije s utisnutom strujom koji se sastoji od dva dvosmjerna tiristorska punovalna mosna ispravljača povezana na istosmjernoj strani. Tiristori mrežnog mosta komutiraju zahvaljujući trofaznom sustavu mrežnog napona, a tiristori motorskog mosta gase se po istom principu zahvaljujući trofaznom sustavu induciranih napona na sinkronom motoru. Njegova je primjena prema tome ograničena isključivo na elektromotorne pogone sa sinkronim motorima. Danas se u sustavima električne propulzije gotovo isključivo koriste para-12-pulsne konfiguracije sastavljene od dva nezavisna 6-pulsna sinkrokonvertera napajana iz galvanski odvojenih fazno pomaknutih transformatora, priključena na odvojene namotaje dvonamotnog propulzijskog elektromotora (Slika 46). Velika prednost para-12-pulsne konfiguracije je i potpuna električna odvojenost dva trofazna sustava što u slučaju kvara na propulzijskom transformatoru, pretvaraču ili dijelu motora jedne polovine sustava, omogućuje samostalni rad ispravne polovine sustava (half motor operation) i prema tome plovidbu s pola instalirane snage propulzije.
Slika 46. Para 12-pulsna konfiguracija sinkrokonvertera
64
Sinkrokonverter može raditi u sva četiri kvadranta. U motorskom radu mrežni most radi u ispravljačkom, a motorski u izmjenjivačkom režimu rada, da bi u generatorskom režimu rada mostovi zamijenili uloge. Maksimalne snage sinkrokonvertera korištenih u električnoj propulziji su do 25MVA, ali proizvođači nude i sinkrokonvertere mnogo veće snage (75 MVA uz napon na motoru do 22 kV). Kod pokretanja i sasvim malih brzina (5 do 10% nazivne brzine), kada je inducirani napon u statorskim namotajima sinkronog motora premalen da omogući mrežnu komutaciju tiristora, sinkrokonverter mora raditi u pulsnom režimu. U pulsnom režimu rada se jako povećavaju pulzacije u razvijenom momentu, a prema tome i vibracije na osovini motora, pa dulji rad pri brzinama manjim od 5-10% nije preporučljiv jer može izazvati mehanička oštećenja u sustavu propulzije, posebice ako je ugrađen reduktor. Sinkrokonverter za mrežu predstavlja opterećenje s promjenljivim faktorom snage ovisnim o brzini propulzijskog elektromotora. Kod nominalne brzine je cosφ otprilike 0,9, dok se sa smanjenjem brzine spušta prema nuli, što je posljedica sve kasnijeg okidanja tiristora ispravljačkog mosta kako bi frekvencija i napon na motoru zadržali konstantan odnos (U/f=konst.).
14.4.2. Ciklokonverter Ciklokonverter je najstariji i za sada još uvijek jedini direktni pretvarač frekvencije u komercijalnoj upotrebi. Danas se u sustavima električne propulzije uglavnom koriste para12-pulsne konfiguracije sastavljene od dva nezavisna 6-pulsna ciklokonvertera napajana iz galvanski odvojenih fazno pomaknutih transformatora i priključena na odvojene namotaje dvonamotnog propulzijskog elektromotora (Slika 47). Šest-pulsni trofazni ciklokonverter se sastoji od tri para tiristorskih punovalnih mosnih ispravljača, što znači da ima ukupno 36 tiristora.
Slika 47. Para 12-pulsna konfiguracija ciklokonvertera
65
Ciklokonverter formira sekundarni napon na osnovi ispravljenog primarnog napona. Kako bi se na sekundaru dobio izmjenični napon potrebna su dva anti-paralelno spojena ispravljača, od kojih jedan (pozitivna grupa) gradi pozitivnu poluperiodu, a drugi (negativna grupa) negativnu poluperiodu izlaznog napona. Zbog opisanog načina rada ciklokonverteri ne mogu podizati već samo snižavati frekvenciju, a kvaliteta izlaznog napona i struje pada s povećanjem frekvencije izlaznog napona, koja u pravilu ne prelazi 30% frekvencije napajanja. Najznačajnija prednost ciklokonvertera je jednostavna mrežna komutacija tiristora. Odsutnost komutacijskih krugova daje izuzetno jednostavnu konfiguraciju energetskog sklopovlja ciklokonvertera i stoga pojednostavnjuje popravak, kontrolu i održavanje, što su izuzetno značajne kvalitete u brodskoj primjeni, a posebno u slučaju sustava propulzije. Niska frekvencija prekapčanja i prirodna mrežna komutacija, garantiraju vrlo male gubitke u elektroničkim ventilima i omogućuju primjenu tiristora najvećih snaga. Pored vrlo složenog harmoničkog spektra, osnovni nedostatak ciklokonvertera je i vrlo nizak faktor snage prema mreži. Zbog varijacija u kutu vođenja tiristora ispravljačkih mostova tijekom poluperiode izlaznog napona, potrebnog za postizanje približno sinusoidalne struje, faktor snage ciklokonvertera u najpovoljnijem slučaju, a to je kod punog broja okretaja, obično iznosi oko 0,75. S druge strane faktor snage na motorskoj strani pretvarača ovisi isključivo o karakteristikama motora. U slučaju sinkronih motora sekundarni faktor snage može biti jednak jedinici što značajno doprinosi smanjenju gubitaka, ali i smanjenju snage pretvarača i motora. Kao prednosti ciklokonvertera treba svakako navesti i jednostavan rad u sva četiri kvadranta, bez dodatnog sklopovlja, te odličnu dinamiku kod pokretanja i malih brzina, što je posebno važno za brodove koji se često podvrgavaju naglim manevrima.
14.4.3. Širinsko impulsno modulirani (ŠIM) pretvarači frekvencije Širinsko-impulsno modulirani (ŠIM) pretvarači su podvrsta pretvarača frekvencije s utisnutim naponom. Kao i svi indirektni ispravljači sastoje se od ispravljača i izmjenjivača. Ispravljači mogu se koristiti diodni mosni ispravljači u 6,12,18,24,36 ili 48-pulsnoj konfiguraciji, dok se danas sve češće susreću se ŠIM pretvarači s aktivnim ispravljačima. Pretvarači sa diodnim mosnim ispravljačima mogu ostvariti samo rad u dva kvadranta, dok se za četverokvadrantni pogon moraju koristiti aktivni ispravljači. Kako bi se smanjili gubici prekapčanja kod ŠIM pretvarača građenih za visoke napone primjenjuju se izmjenjivači s više naponskih nivoa (multi level) (slika 48). Smanjenje gubitaka zasniva se na činjenici da su gubici prekidanja struje proporcionalni umnošku napona i struje koja se prekida. Ako se na ulaz izmjenjivača, koji radi sa širinsko impulsnom modulacijom umjesto jednog istosmjernog napona dovede nekoliko, izmjenjivač više neće potpuno prekidati struju već samo prekapčati s višeg na niži naponski nivo. Više naponskih nivoa znači i manje gubitaka prekapčanja, ali i kvalitetniji napon na izlazu.
Slika 48. Visokonaponski ŠIM pretvarač frekvencije s tri nivoa napona i aktivnim (ŠIM) ispravljačem
66
