Propulsia electrica a navelor

Folosirea motorului electric pentru actionarea elicei sau a altui sistem de propulsie reprezinta obiectivul capitolului de fata.

Motorul electric de actionare este instalat in imediata vecinatate a elicei fiind cuplat mecanic sau electric cu aceasta.

Alimentarea cu energie electrica a motorului de propulsie se face prin cabluri de la centrala electrica navala. In cazul utilizarii propulsiei electrice, centrala electrica de bord are o putere mai mare, majoritatea puterii acesteia fiind utilizata pentru alimentarea motoarelor de propulsie.

Spre deosebire de sistemul de propulsie directa a navelor (cu motor diesel sau turbina cuplata direct cu elicea), in cazul propulsiei electrice intre motorul care furnizeaza energie mecanica (diesel sau turbina) si motorul electric de propulsie se interpune generatorul electric din centrala si cablurile de legatura. Astfel, energia mecanica se transforma in energie electrica la bornele generatorului si apoi aceasta in energie mecanica la axul motorului electric de propulsie. Sistemul de propulsie electrica presupune deci o transformare succesiva a energiei: mecanica - electrica - mecanica, care in final duce la o micsorare a randamentului instalatiei fata de cazul propulsiei directe.

Datele practice arata ca propulsia directa are un randament de 0,95 - 0,98, iar cea electrica de 0,9 - 0,92. Cu toate acestea, propulsia electrica prezinta o serie de avantaje, printre care cele mai importante sunt:

Ø      posibilitatea alimentarii motoarelor de propulsie de la mai multe generatoare electrice, ceea ce asigura o utilizare mai rationala a motoarelor primare (diesel sau turbine). Totodata se poate asigura un randament optim al instalatiei de propulsare la viteze reduse ale navei, deoarece se utilizeaza un numar mai mic de generatoare;

Ø      se pot utiliza motoare primare diesel rapide. In cazul propulsiei directe, se utilizeaza motoare diesel lente si semirapide. Motoarele rapide au gabarite, greutati si cost mai mici;

Ø      la instalatiile electrice se propulsie se poate inversa cu usurinta sensul de rotatie al elicei. Pentru aceasta se utilizeaza scheme simple care inverseaza sensul de rotatie al motorului electric;

Ø      instalatiile electrice de propulsie pot fi comandate din orice punct al navei. Acest lucru are mare importanta pentru unele nave ca remorcherele de port;

Ø      centrala electrica ce alimenteaza motoarele de propulsie poate fi plasata in orice punct al navei, obtinandu-se astfel o buna repartizare a compartimentelor;

Ø      exista posibilitatea executarii unor reparatii la motoarele primare fara a scoate nava din exploatare;

Ø      experienta arata ca vibratiile din timpul marsului naveisunt mai reduse fata de propulsia directa;

Ø      se pot utiliza motoare duble de propulsie care asigura o rezerva de putere al iesirea din functiune a unui motor;

Ø      la unele tipuri de nave, generatoarele centralei electrice servesc si pentru alimentarea altor organisme de la bord; astfel dispare necesitatea utilizarii unor grupuri electrogene auxiliare (la dragile propulsate electric sau navale de pescuit);

Ø      la instalatiile electrice de propulsie se poate asigura un reglaj de viteza mai bun al navei si totodata o manevrabilitate mai precisa;

Ø      se pot atenua socurile pe care le-ar putea suporta motorul diesel datorita bandarii carmei intr-un bord sau lovirii elicei cu un corp solid.

Propulsia electrica in comparatie cu propulsia directa prezinta si o serie de dezavantaje, printre care: costul mai ridicat al instalatiei; utilaj mai complex, randament mai scazut la sarcina nominala; al unele tipuri de nave greutatea instalatiei este mai mare.

Propulsia electrica este utilizata de mult timp pe nave. Astazi este utilizata pe nave ca:

pasagere, cargouri, remorchere, spargatoare de gheata, nave macarale, nave atelier, dragi etc.

Motoarele de propulsie utilizate sunt atat de curent continuu cat si de curent alternativ. La navele care au o putere la axul elicei de pana la 3000 kW se utilizeaza de obicei motoare de curent continuu. Aceste motoare se alimenteaza dintr-o centrala de curent continuu sau curent alternativ la care generatoarele sunt antrenate de motoare diesel. La navele cu puteri mai mari de 3000 kW se utilizeaza ca motoare de propulsie motoare de curent alternativ (sincrone sau asincrone) alimentate de la o centrala echipata cu generatoare sincrone antrenate de motoare diesel sau turbine ci abur.

Tensiunele de alimentare ale motoarelor de propulsie sunt diverse. In curent continuu se utilizeaza tensiuni pana la 1,2 kV, iar in curent alternativ pana la 7,5 kV.

Frecventa curentului alternativ utilizat pentru propulsie este de asemenea diversa, totusi in jurul valorii de 50 Hz. Acest lucru este posibil deoarece centrala electrica de la bord este un sistem independent.

2.1. Propulsia electrica in curent alternativ

Antrenarea elicei cu motoare de curent alternativ este folosita mai ales la navele cu puteri mari la axul elicei, de peste 3000 kW. La navele cu puteri mari la axul elicei, antrenarea elicei cu motoare de curent continuu nu mai este posibila.

Energia electrica de curent alternativ este obtinuta cu ajutorul generatoarelor sincrone trifazate. Aceste generatoare au tensiuni la borne diverse: R.N.R. admite o tensiune de maximum 7,5 kV, G.L.[1] admite 6 kV, L.R. admite 3,5 kV etc. Frecventele utilizate sunt determinate de turatia motorului primar, ele nefiind legate de frecventele standard de la uscat (50 Hz sau 60 Hz).

Motoarele mecanice primare care antreneaza generatoarele sunt turbine cu abur sau motoare diesel.

Motoarele electrice care antreneaza elicea pot fi de tip sincron, sau asincron, in momentul de fata se prefera motoarele sincrone. Desi motorul asincron are o constructie mai simpla, gabarit mai mic si nu necesita curent continuu pentru excitatie, totusi motorul sincron este preferat pentru propulsia in curent alternativ datorita unor calitati ale sale precum:

Ø      poate functiona la factor de putere ridicat, ceea ce duce la reducerea pierderilor pe cablurile de alimentare si la micsorarea sectiunii acestora;

Ø      pot fi construite cu un intrefier mai mare decat cel al motorului asincron, aspect foarte important in conditiile oscilatiilor corpului navei pe mare agitata;

Ø      se poate asigura o sincronizare a elicelor, la navele cu doua elici (functionarea elicelor la viteze diferite duce la oscilatii ale carenei).

Impartirea puterii de propulsie pe mai multe generatoare. Ca si la propulsia in curent continuu, intreaga putere necesara pentru alimentarea motorului de propulsie este furnizata de mai multe grupuri electrogene. Avantajul principal al impartirii puterii pe mai multe generatoare este repartzarea rationala a acesteia in functie de regimul de navigatie, ca si o solicitare rationala a motoarelor mecanice primare. Aceste afirmatii sunt ilustrate in diagramele din fig. 2.1., a si 2.1. b.

Fig 2.1. Caracteristicile putere-turatie :

a - propulsie directa; b - propulsie electrica; 1 - caracteristica motorului diesel cuplt direct cu elicea;

2 - caracteristica elicei; 3,4,5 - caracteristici partiale ale motorului

Dupa cum rezulta din fig. 2.1. a motorului diesel este utilizat integral in ceea ce priveste puterea furnizata numai la turatia nominala (punctul A); la turatii inferioare celei nominale motorul diesel este subsolicitat (supafata hasurata). In fig. 2.1., b puterea de propulsie este impartita de patru generatoare care functioneaza in paralel, solutie intalnita frecvent la propulsia diesel-electrica. Curba 5 reprezinta puterea in functie de turatie a unui singur motor diesel cuplat direct cu elicea, curba 4 a doua motoare diesel, curba 3 a 3 motoare, iar curba 1 toate cele patru motoare diesel cuplate direct cu elicea. Dupa cum se vede, cu un singur generator se obtin o turatie de 50%, cu doua de 70%, cu trei de aproximativ 87%, iar cu toate cele patru generatoare de 100%. Astfel, in regimuri de navigatie de viteze reduse si de puteri mici se poate folosi un numar mai mic de generatoare, utilizandu-se mai rational energia la bord.

2.2. Scheme de propulsie in curent alternativ trifazat

Instalatiile de antrenare a elicelor navelor cu motoare de curent alternativ se pot imparti in:

Ø      instalatii de propulsie cu turbogeneratoare

Ø      instalatii de propulsie cu dieselgeneratoare

Ø      instalatii de propulsie cu elice cu pas reglabil

Instalatii de propulsie cu turbogeneratoare. La aceste instalatii generatoarele sincrone care produc energie electrica pentru alimentarea motoarelor elicei sunt antrenate de turbine cu abur. Asemenea sisteme se folosesc la puteri mari, deci la nave de mare tonaj.

In cele ce urmeaza se vor prezenta cateva scheme tipice utilizate pentru propulsie, cu turbogeneratoare.

La navele cu doua elici se pot utiliza scheme din fig. 2.2. care se caracterizeaza prin alimentarea separata a motoarelor de propulsie. Cele doua generatoare nu sunt prevazute a functiona in paralel.

Fig. 2.2. Schema de propulsie in c.a. cu turbine utilizata la nave cu doua elice:

M - motor sincron trifazat de antrenare a elicei;

G - generator sincron;

1 - intreruptor inversor; 2 - intreruptor; 3 - intreruptor de cuplaj;

4 - turbina.

La viteze reduse ale navei ambele motoare pot fi alimentate de la un singur generator prin intermediul unui intreruptor de cuplaj. Franarea se face in contracurent. Excitatia generatorului este de tipul "cu socuri" si se obtine de la un convertizor rotativ sau static. Excitatia motoarelor se face constant, de la reteaua de curent alternativ.

La navele cu o singura elicea puterea necesara motorului diesel se poate obtine de la mai multe generatoare. In fig. 2.3. se prezinta o schema cu doua generatoare care sunt utilizate si pentru alimentarea retelei de bord. In aceasta schema se foloseste franarea dinamica cu ajutorul rezistentelor de franare.

Fig. 2.3. Schema de propulsie in c.a. cu turbine, utilizata la nave cu o singura elice:

M - motor sincron trifazat; G - generator sincron;

1 - rezistenta de franare dinamica; 2 - inversor; 3,5 - intreruptoare;

4 - turbine; 6 - retea de bord; 7 - consumatori.

La navele petroliere schemele de propulsie contin, in general, un motor de antrenare a elicei si un singur generator. Generatorul este utilizat, in regim de stationare si pentru alimentarea pompelor    de incarcat sau descarcat petrol.

Pentru marirea fiabilitatii la unele nave se utilizeaza antrenarea elicei de catre doua motoare sincrone cuplate pe acelasi arbore (fig. 2.4.). Fiecare motor este alimentat de catre un generator. Aceasta schema poate functiona cu un randament satisfacator chiar la jumatate din puterea nominala. Deoarece motoarele in acest caz au gabarite mai mici se poate utiliza mai bine spatiul de amplasare a lor la pupa navei.

Fig. 2.4. Schema de propulsie in c.a. cu turbine cu doua motoare de propulsie:

M - motor de propulsie; G - geenrator; 1 - comutator; 2 - turbina.

Scheme de propulsie in curent alternativ cu dieselgeneratoare. Schemele de propulsie cu grupuri dieselgeneratoare se caracterizeaza printr-un numar mai mare de grupuri electrogene, in comparatie cu schemele cu turbogeneratoare.

In fig. 2.5. se prezinta o schema de propulsie cu patru grupuri electrogene, dieselgeneratoare. Generatoarele debiteaza pe bare comune impartite in doua sectiuni. La fiecare sectiune sunt legate cate doua generatoarece alimenteaza cate un motor de propulsie.

    Fig. 2.5. Schema de propulsie in c.a. cu motoare diesel:

1 - intreruptor; 2 - rezistenta de franare; 3 - inversor; 4,5,6 - intreruptoare de inalta tensiune; 7 - motor diesel de propulsie; 8 - motor diesel auxiliar; 9 - Intreruptor de joasa tensiune; 10 - transformator coborator; 11 - consumatori de bord; 12 - retea de bord; 13 - bobina de sincronizare.

La navigatia costiera (cu viteza redusa) se alimenteaza fiecare motor de propulsie de la un singur generator. In acest caz cele doua sectiuni de bare se separa. Schema este prevazuta cu posibitatea unei sincronizari brute cu ajutorul unei bobine de soc. Sincronizarea bruta are loc la cuplarea celor doua sectiuni de bare, pe fiecare sectiune aflandu-se cate un generator, sau la cuplarea celui de-al treilea generator, ca si la sincronizarea motoarelor in diverse situatii (iesirea elicei din apa in cazul unei mari agitate).

Conectarea celui de al patrulea generator se face prin sincronizare fina, adica prin reglarea tensiunii, frecventei si fazei la la barele colectoare.

Generatoarele de propulsie pot debita si pe reteaua bordului la regim de stationare sau de navigatie cu viteza redusa.

In fig. 2.6. este reprezentata schema instalatiei de propulsie cu dieselgeneratoare, la o nava cu o singura elice. Schema contine trei dieselgeneratoare ce pot fi conectate in paralel. In afara de motorul principal de antrenare, elicea poate fi antrenata si de un motor mai mic pentru regimuri de navigatie la viteze reduse. Pentru alimentarea motorului de putere mica este suficient un singur generator. Motorul de putere mica poate fi de tip asincron care, dupa cum se stie, nu necesita curent continuu de excitatie.

Fig. 2.6. Schema de propulsie in c.a. cu motoare diesel la o nava cu o singura elice:

M1 - motor principal de propulsie; M2 - motor auxiliar de propulsie; G1 - generator de propulsie;

G2 - generator auxiliar; 1 si 10 - intreruptor de joasa tensiune; 2 - rezistenta de franare; 3 si 13 - comutator; 4 - inversor; 5,6 si 7 - intreruptor de inalta tensiune; 8 - motor diesel de propulsie; 9 - motor diesel auxiliar; 11 - transformator coborator; 12 - retea de bord.

O schema interesanta de propulsie electrica este cea cu generatoare sincrone duble (fig. 2.7). Infasurarile statorice ale generatoarelor duble se leaga in serie (fig. 2.8), asfel incat prin variatia curentului de excitatie tensiunea la bornele statorului poate varia de la valoarea dubla (cand curentii de excitatie egali au acelasi sens), pana la valoarea zero (cand curentii de excitatie egali sunt de sens contrar).

Aceasta schema asigura o reglare a turatiei motorului elicei in domeniul 50% - 100% actionand asupra frecventei. Viteza de rotatie sub 50% se obtine prin modificarea tensiunii de alimentare.

Fig. 2.7. Schema de propulsie in c.a. cu motoare diesel cu generatoare electrice duble:

M - motor; G - generator;

1 - inversor; 2 - intreruptor de inalta tensiune; 3 - motor diesel; 4 - retea de bord; 5 - transformator coborator.

Fig. 2.8. Generatoare sincrone duble:

1 - bare de sincronizare pentru reteaua de bord; 2 - stator; 3 - bare de sincronizare pentru motorul elicei; 4 - infasurare de excitatie.

Instalatii de propulsie cu elici cu pas reglabil

La navele dotate cu elici cu pas reglabil, actionate direct de motorul mecanic, reglarea vitezei navei si schimbarea sensului de mars al navei se face prin schimbarea pozitiei palelor elicei.

Instalatiile de propulsie cu elici cu pas reglabil se aseamana din punct de vedere al schimbarii sensului de rotatie    si al reglarii vitezei, cu sistemele electrice de propulsie. In ambele cazuri, pentru a realiza cele doua operatii nu se actioneaza asupra motorului mecanic. Cu toate aceste caracteristici ale sistemului de propulsie cu pas reglabil este recomandabil sa se actioneze elicele cu motor electric. Aceasta se datoreaza libertatii de amplasare a motorului primar, evitand utilizarea unor arbori de lungimi prea mari. Toate motoarele diesel se concentreaza intr-o incapere comuna (sala masinilor). Ele antreneaza generatoare sincrone trifazate. Generatoarele alimenteaza cu tensiune constanta motoare asincrone trifazate care pun in miscare elicea. Motoarele electrice functioneaza la turatie constanta, iar reglarea vitezei navei si schimbarea sensului de mars se face prin schimbarea pozitiei palelor.

Deoarece generatoarele functioneaza la tensiune si frecventa constanta, ele sunt utilizate si pentru reteaua bordului.

In fig. 2.9 se reprezinta o instalatie de propulsie cu elici cu pas reglabil utilizata la o nava macara. Schema cuprinde trei elici cu pas reglabil actionate de motoare asincrone cu rotorul in colivie functionand la turatie constanta. Alimentarea motoarelor se face de la trei generatoare sincrone, unul dintre aceste generatoare poate fi utilizat numai pentru reteaua bordului si motoarele de actionare a macaralei.

Motoarele se pornesc pe rand si ajung la turatia nominala pentru pozitia de mers in gol a elicei. In timpul perioadei de pornire reteaua bordului se separa, datorita caderilor de tensiune.

Cele trei elici ale naveisunt amplasate astfel: doua la pupa (cate una in fiecare bord) si una la prova.

Fig. 2.9. Schema de propulsie la nave cu elici cu pas reglabil:

M - motor asincron cu rotor in colivie; G - generator sincron;

1 - intreruptor; 2 - sectiune de bare pentru propulsie; 3 - sectiune de bare pentru reteaua bordului; 4 - transformator; 5 - consumatori la bord; 6 - elice cu pas reglabil; 7 - motor diesel.

2.3. Scheme de excitatie ale instalatiilor de propulsie

La propulsia in curent alternativ cu generatoare si motoare sincrone este necesara o retea de curent continuu pentru alimentarea infasurarilor de excitatie. Pentru obtinerea puterii de excitatie se folosesc convertoare de rotative (motor de curent alternativ trifazat-generator de curent continuu) sau convertoare statice (cu elemente semiconducotare). Convertoarele sunt alimentate de la reteaua de navigatie in functionare obisnuita si de la reteaua de bord in timpul pornirii.

In fig. 2.11 este reprezentata o schema de excitatie la o nava cu o singura elice actionata de un singur motor sincron alimentat de la doua generatoare sincrone. Excitatoarea motorului sincron este generatorul de curent continuu E1 cu excitatie derivatie la care tensiunea se mentine constanta cu ajutorul reostatului R comandat automat.

Fig. 2.11. Schema de excitatie la o nava cu o singura elice:

M - motor asincron; E1 - excitatoare a motorului sincron de propulsie; E2 - excitatoare a generatoarelor sincrone; K - intreruptor; r - rezistenta; r_e - reostat; r₁ - reostat.

Excitatoarele generatoarelor sincrone sunt generatoarele de curent continuu E2, antrenate de motorul asincron M si excitate separat de la generatorul E1.

Curentul de excitatie al generatoarelor E2 este mentinut constant cu ajutorul reostatelor r₁ si r_e ; astfel se mentine la generatoarele sincrone raportul const., pentru orice turatie a motoarelor mecanice. De asemenea, trebuie remarcat faptul ca generatoarele E₂ se pot excita prin socuri cu ajutorul intreruptorului K si a rezistentei r.

O schema de excitatie care asigura marirea cuplului critic al motorului sincron si deci, evitarea iesirii din sincronism in cazul suprasarcinilor, este reprezentataa in fig. 2.12.

In aceasta schema generatorul si motorul sincron au infasurarile de excitatie alimentate de la un generator de curent continuu care la randul sau are excitatia alimentata de la un generator cu trei infasurari. Acest generator cu trei infasurari lucreaza ca o masina amplificatoare. Infasurarea de excitatie 1 asigura o solenatie constanta care poate fi marita sau micsorata de solenatiile infasurarilor 2 si 3.

Infasurarea de excitatie 2 este alimentata printr-un transformator de intensitate T₂; solenatia acestei infasurari se adauga la cea produsa de infasurarea 1 si depinde de sarcina de la axul elicei. Solenatia infasurarii 3 este produsa de un transformator de tensiune T₁ si se opune solenatiilor infasurarilor 1 si 2. Bobina cu miez de fier L se satureaza daca campul de inductie il depaseste pe cel coespunzator raportului constant.

Infasurarile 2 si 3 se dimensioneaza in asa fel incat in punctul de functionare nominal, solenatiile lor sa fie egale, efectele lor se anuleaza, excitatia fiind asigurata de infasurarea 1.

Fig. 2.12. Schema de principiu pentru marirea cuplului critic:

M1 - motor sincron pentru propulsie; M2 - motor sincron pentru antrenarea generatoarelor G1 si G2;

I - inversor; R1,R2 - punti redresoare; G1 - generator de c.c., pentru alimentarea excitatiei motorului si generatorului sincron; G2 - generator cu trei infasurari de excitatie (1,2,3); L - bobina cu miez de fier;

R - reostat; T - turbina; T1,T2 - transformatoare.

La cresterea sarcinii, deci a curentului absorbit de motorul de propulsie, creste solenatia infasurarii 2 si scade solenatia infasurarii 3, datorita scaderii tensiunii. Astfel creste puternic solenatia rezultanta, deci curentul de excitatie al motorului si, prin urmare in final, cuplul critic al motorului.

Daca raportul se modifica (creste) datorita cresterii tensiunii sau micsorarii frecventei, solenatia infasurarii 3 creste, ceea ce duce la micsorarea solenatiei rezultante si deci la micsorarea curentului de excitatie al motorului si generatorului sincron, reducand raportul la valoarea prescrisa.

Avantajul acestei scheme este acela ca la dimensionarea sa nu trebuie sa se tina seama de suprasolicitari. Masinile devin mai usoare si mai mici, deci se asigura o economie de spatiu si de greutate.