ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7 1. Обзор судна .......................................................................................................... 9 1.1. Технические характеристии............................................................................. 9 1.2. Описание электростанции судна ................................................................... 10 2. Общие сведения о гребных электрических установках ................................... 11 2.1. Единые судовые электроэнергетические установки .................................... 11 2.2. Классификация ГЭУ ....................................................................................... 12 2.2.1. Преобразователи частоты в системе ГЭУ ................................................... 12 3. Разработка гребной электрической установки ................................................. 14 3.1. Расчет мощности на валу ГЭД....................................................................... 14 3.2. Выбор гребного электродвигателя ................................................................ 18 3.3. Выбор преобразователя частоты ................................................................... 19 3.4. Расчет таблицы нагрузок и выбор генераторов ............................................ 20 3.5. Сравнительный анализ дизель-генераторов ................................................. 21 3.6. Выбор фидеров ............................................................................................... 26 3.6.1. Выбор сечения и марки кабеля .................................................................... 26 3.6.2. Расчет падения напряжения ......................................................................... 27 3.7. Выбор автоматических выключателей.......................................................... 29 3.8. Выбор органов управления ГЭУ ................................................................... 31 3.9. Выбор щитовых приборов ............................................................................. 32 4. Расчет и построение статических характеристик ............................................. 34 5. Расчет и построение механических характеристик .......................................... 38 Изм. Лист № докум. Разработа Дурандин А.В. л Тарпанов И.А. Проверил Н. Контроль Утвердил Хватов Подпись Дата 41.594.110.001 Модернизация судовой электростанции с гребной электроустановкой теплохода проекта 301 Лит. Лист Листов 5 70 ВГУВТ каф. Э и ЭОВТ 6. Экономические показатели ................................................................................ 51 6.1. Расчет стоимости капиталовложений ........................................................... 51 6.2. Расчет эксплуатационных расходов .............................................................. 54 6.3. Итоговая оценка технико-экономических показателей ............................... 56 7. Охрана труда и пожарная безопасность ............................................................ 58 7.1. Правила безопасности труда при ремонте и обслуживании электрооборудования в судовых условиях ........................................................... 58 7.2. Пожарная защита ............................................................................................ 60 7.3. Производственное освещение ....................................................................... 60 7.4. Мероприятия по снижению вибрации и шума ............................................. 63 7.5. Защита от электромагнитных полей ............................................................. 64 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................... 68 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .............................................. 69 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 6 ВВЕДЕНИЕ Гребной электрической предназначенных для установкой движения называют судна у комплекс которого устройств, используется электродвигатель для приведения в движение гребного винта. Такие установки бывают двух видов: с электрическим двигателем на борту судна и без него. В первом случае двигатель устанавливается за пределами судна, как правило погруженный в воду в составе винто-рулевой колонки, во втором – на отдельном валу, который присоединяется к валу гребного винта винтовым соединением. Электрические двигатели предназначены для вращения гребных винтов, преобразуя электрическую энергию в механическую. Гребные винты могут быть изготовлены из бронзы, стали или композитных материалов, имеющих высокую прочность и малую массу. Гребной электростанцией называют совокупность машин, приборов и оборудования, которые предназначены для выработки электроэнергии. Гребная электрическая установка состоит из гребного электродвигателя, гребных винтов и системы управления. Гребной электродвигатель состоит из электродвигателя с редуктором, статора, ротора и системы охлаждения. В основном это оборудование, которое устанавливается на судах, используемых для выполнения разнообразных задач. Электростанция может быть использована в качестве вспомогательного и основного источника энергии. Установки с электродвигателем на борту имеют преимущества перед одновинтовыми судами, поскольку облегчают управление судами и позволяют уменьшить расход топлива, однако для этого необходимо обеспечить хорошую связь между электромотором и гребным винтом. Высокие требования к качеству электроэнергии и бесперебойности питания потребителей могут быть выполнены при обеспечении высокой надежности судовой электроэнергетической системы. Поэтому в процессе эксплуатации сложных современных электроэнергетических систем необходимо выполнять большой объем работ по контролю работоспособности Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 7 как отдельных элементов и агрегатов, так и систем в целом. Практически все судна постройки последних лет имеют системы автоматического контроля судовых технических средств, включающих в себя главную энергетическую установку, судовую электроэнергетическую систему и общесудовые системы. Для обеспечения высокой надежности и долговечности систем судовое электрооборудование должно проходить регулярные проверки работоспособности и испытания на соответствие требованиям технической документации. Кроме того, судовое оборудование должно периодически подвергаться профилактическим осмотрам, что позволяет своевременно выявлять нарушения нормальной работы и устранять их до возникновения аварийных режимов. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 8 1. Обзор судна 1.1. Технические характеристии Речные пассажирские теплоходы проекта 301 - большие пассажирские суда, предназначенные для совершения речных круизов. Проект 301 – это первая серия построенных для нашей страны именно круизных, а не транспортных судов. Строительство судов проекта 301 для нашей страны велось на судостроительном предприятии VEB Elbewerften Boizenburg / Rosslau в г.Бойценбург (Восточная Германия). Головным судном серии стал теплоход «Владимир Ильич» (нынешнее название «Санкт-Петербург») спущенный на воду в 1974 году. Строительство судов проекта 301 велось в трех сериях. От первой серии более поздние суда отличаются внешним оформлением и некоторым оборудованием судна. Так на судах второй серии, в отличие от первой, появились сплошные фальшборта вместо сетчатых, скругленные окна кают, вместо прямоугольных, прожектора под бортовыми постами управления в рубке. На суда третьей серии ставилось более мощное подруливающее устройство. Всего было построено 22 теплохода проекта 301. Рисунок 1.1. Пассажирский теплоход 301 проекта Класс Речного Регистра и район плавания для пассажирских судов: класса «М» с выходом в Онежское и Ладожское озеро, при силе ветра до 5 баллов и высоте волны до 2 метров. Основные размеры судна: - длина: 125 м. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 9 - ширина: 16.7 м. - осадка: 2.7 м. - высота борта (до главной палубы): 4.5 м. - высота надводного борта: 1.74 м. - водоизмещение судна с пассажирами:3570 т. - пассажировместимость:300 чел. 1.2. Описание электростанции судна Род тока и напряжение применяемое на судне: - силовая сеть: переменный трехфазный ток, напряжение 380В. - сеть освещения и отдельных силовых потребителей: переменный ток, 220В. - сеть питания отдельных потребителей: постоянный ток, 24В. - переносное освещение: переменный ток, 12В. В качестве основных источников электрической энергии применяются дизель-генераторы мощностью 540 кВА Таблица 1.1. Параметры судовых генераторов Параметр Количество, шт Дизель Мощность, э. л. с. Частота вращения, об/мин Пуск Генератор Род тока Напряжение, В Мощность, кВА Сила тока, А КПД, % Значение 4 6NVD26/20AL-1 720 1000 сжатым воздухом SSEE568-6V Переменный трехфазный 390 540 800 93,1 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 10 2. Общие сведения о гребных электрических установках 2.1. Единые судовые электроэнергетические установки По мере развития полупроводниковой техники появилась возможность создания ЕСЭУ, в которых одни и те же генераторные агрегаты вырабатывают электроэнергию для нужд ГЭУ и питания общесудовых потребителей. Достоинствами ЕСЭУ являются: – оптимизация режимов эксплуатации приводных двигателей (дизелей), и как следствие, снижение расхода горюче-смазочных материалов и повышение КПД; – повышение надежности и эксплуатационных характеристик установки в целом; – снижение стоимости оборудования установки; – возможность гибкого планирования технического обслуживания и ремонта генераторных агрегатов путем поочередного вывода их из эксплуатации. Регулирование ГЭД в ЕСЭУ осуществляется с помощью полупроводниковых преобразователей электроэнергии - выпрямителей, при использовании в качестве ГЭД машины постоянного тока, или полупроводникового преобразователя частоты, при использовании в качестве ГЭД машины переменного тока. Мощность ГЭД, как правило, значительно превосходит мощность общесудовых приемников электроэнергии. Для снижения массы и габаритов оборудования в ГЭУ используется высокое напряжение до 10 кВ и выше. Для питания общесудовых приемников электроэнергии в этом случае необходимо использовать понижающие трансформаторы. Мощные полупроводниковые преобразователи ГЭУ снижают качество электроэнергии в судовой сети. Поэтому в высоковольтных ЕСЭУ нашли применение электромашинные преобразователи электроэнергии, состоящие из двух электрических машин, одна из которых работает в двигательном режиме, другая - в генераторном. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 11 2.2. Классификация ГЭУ В настоящее время все больше уделяется внимания в судостроении из-за использования ими компактных первичных двигателей, возможности выбора оптимальных параметров у первичных двигателей и гребных винтов, достаточно широкой стандартизации и унификации отдельных элементов частей установки. Направления усовершенствования ГЭУ. В настоящее время определились два реальных направления такого рода усовершенствования ГЭУ. Первое направление состоит во внедрении систем электродвижения на переменном токе с полупроводниковыми преобразователями частоты (ППЧ) и гребными двигателями с вентильным принципом управления. В сочетании с парогазовыми высокоэкономичными агрегатами при весьма малых значениях удельных масс они позволяют получить ГЭУ со значением КПД, сопоставимым с КПД установок с прямым приводом. Эти установки не имеют ограничений по мощности. Второе направление заключается в использовании главных генераторов и гребных электродвигателей (ГЭД) со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения (синхронные и униполярные машины). Основное достоинство таких ГЭУ состоит не столько в том, что во много раз уменьшаются размеры и масса машины, сколько в том, что применение первичных двигателей с малыми массой и размерами в сочетании с малогабаритными генераторами позволяет принципиально по-новому компоновать электрооборудование в машинном отделении. 2.2.1. Преобразователи частоты в системе ГЭУ Исходя из того, что была выбрана система ГЭУ на переменном токе, в качестве гребных электродвигателей будут применяться асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Они существенно легче машин постоянного тока, и они лучше воспринимают ударные и вибрационные Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 12 нагрузки. Для управление данным типом двигателей будет использоваться система со статическими преобразователями частоты. Рисунок 2.1. Система преобразователь частоты-двигатель Частотное регулирование позволяет устранить один из существенных недостатков электродвигателей с короткозамкнутым ротором -- постоянную частоту вращения ротора электродвигателя, не зависящую от нагрузки. Частотное регулирование создает возможность управления скоростью электродвигателя в соответствии с характером нагрузки. Это в свою очередь позволяет избегать сложных переходных процессов в электрических сетях, обеспечивая работу оборудования в наиболее экономичном режиме. Частотное регулирование также позволяет улучшить безотказность работы и долговечность технологической системы. Это обеспечивается за счет снижения пусковых токов, устранения перегрузок элементов системы и постепенной выработки моточасов оборудования. Для частотного регулирования используются частотные преобразователи со встроенными в них ПИД-регуляторами регуляторы), (пропорционально-интегрально-дифференциальные обеспечивающими точное регулирование заданных технологических параметров. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 13 3. Разработка гребной электрической установки 3.1. Расчет мощности на валу ГЭД Выбор числа и мощности двигателей основан на буксировочной мощности NR. Рассчитаем буксировочную мощность N R: VВ Vs3 X NR = 0,736 ∙ ∙ ∙ ∙ √ψ L C1 λ (3.1) где Vs - скорость судна в узлах; С1 – коэффициент, определяемый по диаграмме Папмеля; X1=1 при 1-, 1,05 при 2- и 1.075 при 3-вальной установке. λ – поправочный множитель, λ =1 VB – объём вымещенной судном воды: VB = V p (3.2) где V – водоизмещение, p – плотность воды, p=1,025 кг/м3 VB = 3570 = 3482,93 м3 1,025 ψ – характеристика остроты корпуса судна: B L 16,7 ψ = 10 ∙ 0,60 ∙ = 0,81 125 ψ = 10 ∙ бп ∙ бп = бп = VB (L ∙ B ∙ T) (3.3) (3.4) 3482,93 = 0,60 (125 ∙ 16,7 ∙ 2,76) где L – длинна судна; B – ширина; T – осадка. v1 – приведённая скорость: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 14 ψ v1 = vs ∙ √ L 0,81 v1 = 13,5 ∙ √ 125 (3.5) = 1,09 где Vs – скорость судна, По диаграмме Папмеля, изображенной на рисунке 3.1 , определяется коэффициент С1. На рисунке ниже видно, что коэффициенты приведенной скорости (v1) и остроты корпуса (ψ) немного не входят в рамки диаграммы Папмеля, но так как данная диаграмма получена путём экспериментальных действий и теоретических знаний, следовательно, точку пересечения (коэффициент С1) можно получить путём проекции. Рисунок 3.1 Диаграмма Папмеля По диаграмме Папмпеля: С1=75 Рассчитаем буксировочную мощность N R по формуле 3.1: 3482,93 13,53 1,075 NR = 0,736 ∙ ∙ ∙ ∙ √0,81 = 649,93 кВт 125 75 1 Расчёт полезной мощности на валу: Полезная тяга: Pe = Pe = 649,93 6,95 NR v (3.6) = 93,48 кН Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 15 где v – линейная скорость судна: v = 0,515 ∙ vs (3.7) v = 0,515 ∙ 13,5 = 6,95 м/с Коэффициент попутного потока: W1 = 0,5 ∙ бп − 0,16 (3.8) W1 = 0,5 ∙ 0,60 − 0,16 = 0,14 Коэффициент засасывания: t1 = 0,5 ∙ W1 + 0,06 (3.9) t1 = 0,5 ∙ 0,14 + 0,06 = 0,13 Полная сила винта: P= P= Pe 1 − t1 (3.10) 93,48 = 107,59 кН 1 − 0,13 Осевая скорость винта: vp = v ∙ (1 − W1) (3.11) vp = 6,95 ∙ (1 − 0,14) = 5,96 м/с Диаметр гребных винтов в кормовом подзоре: Д1 = 0,6 ∙ Т (3.12) Д1 = 0,6 ∙ 2,76 = 1,66 м Выбираем скорость винта: vy = 8,00 об/сек Расчет угловой скорости винта: ω = 2 ∙ π ∙ vy (3.13) ω = 2 ∙ 3,14 ∙ 8,00 = 50,24 рад/сек Вычисление значения коэффициентов λp и K1, для дальнейшего определения КПД ηp винта по диаграмме Папмеля, изображенной на рисунке 3.2. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 16 λp = λp = 2 ∙ π ∙ vp ω ∙ Д1 (3.14) 2 ∙ 3,14 ∙ 5,96 = 0,45 50,24 ∙ 1,66 P ∙ 4 ∙ π2 K1 = p ∙ ω2 ∙ Д14 (3.15) 107,59 ∙ 4 ∙ 3,142 K1 = = 0,22 1,025 ∙ 50,242 ∙ 1,664 Рисунок 3.2. Диаграмма для расчёта гребных винтов По принципу поиска коэффициента C1 по диаграмме, изображенной на рисунке 3.1, находится КПД винта по диаграмме, изображенной на рисунке 3.2. вычисляем КПД винта: ηp=0,52 Пропульсивный КПД: 1 − t1 1 − W1 1 − 0,13 η = 0,52 ∙ = 0,53 1 − 0,14 η = ηp ∙ (3.16) Мощность, подводимая к гребному винту: Np = Np = NR η (3.17) 649,93 = 1233,86 кВт 0,53 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 17 Мощность на валу гребного электродвигателя (ГЭД): Pдв = Np ηв (3.18) где, ηв – КПД валопровода; ηв=0,95 Pдв = 1233,86 0,95 = 1298,80 кВт Результат расчёта последней формулы говорит и показывает общую мощность, на валу всех гребных электродвигателей, для наглядности рассчитаем мощность на каждом электродвигателе: Pдв1 = Pдв nД (3.19) где nд – количество гребных электродвигателей. Pдв1 = 1298,80 = 432,93 кВт 3 3.2. Выбор гребного электродвигателя Исходя из рассчитанных параметров в п.3.1 по каталогам фирмпроизводителей выбирается электродвигатель с параметрами большими или равными: Номинальная мощность: 432,93 кВт; Частота вращения: 480 об/мин. Выбираю электродвигатель EG5005-12 с характеристиками: Таблица 3.1. Технические параметры гребного электродвигателя Пусковые характеристики* Номинальные данные Мощность, кВт Напряжение, В Частота тока, Гц КПД,% Mмакс Iпуск Мпуск Mмин Mном Iном Mном Mном 1,3 1,3 Момент инерции механизма, кг·м2 Частота вращения 495 об/мин 450 380 50 93,4 2,1 5,5 280 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 18 3.3. Выбор преобразователя частоты Исходя из параметров электродвигателя выбирается преобразователь частоты STV900C45N4 компании Systeme Electric (рисунок 3.3) Рисунок 3.3 Вид преобразователя частоты STV900C45N4. Высокопроизводительные преобразователи частоты серии SystemeVar 900 (STV900) объединяют функции управления скоростью, крутящим моментом и положением. Обладают широкими коммуникационными возможностями. Предназначены для высокопроизводительных применений с возможностью подключения датчиков обратной связи. В устройствах объединены три функции: управление скоростью, положением и крутящим моментом. Также, для эффективного применения во многих промышленных отраслях, ПЧ снабжены платой PG, платой ПЛК, коммуникационной платой и платой ввода-вывода. Кроме этого, частотные преобразователи имеют такие полезные функции, как: устранение скрин-эффекта при автонастройке для асинхронных двигателей; устранение эффекта противоЭДС при автонастройке для синхронных двигателей; высокий крутящий момент при низкой скорости; торможение постоянным током; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 19 отслеживание скорости вращения. Благодаря накопленной кинетической энергии привод продолжает работу при отключении электропитания на небольшое количество времени. Таблица 3.2. Краткие технические характеристики преобразователя частоты Параметр Выходная мощность, кВт Выходной ток, А Класс защиты Класс фильтра Кол-во аналоговых входов Кол-во аналоговых выходов Кол-во цифровых входов Кол-во цифровых выходов Количество дискретных выходов Количество фаз Коммуникация Название линейки Рабочее напряжение, В Серия Частота, Гц Значение 450 840 IP20 C3 опционально С2 2 1 6 2 2 3 Modbus/RTU, ASCII, RS485, PROFINET/PROFIBUS-DP/CANopen/Ethernet IP/ODVA/EtherCAT (опционально) SystemeVar 400 STV900 47-63 3.4. Расчет таблицы нагрузок и выбор генераторов Расчет выполнен в соответствии с РД5.6168–92, ”Методы расчетов электрических нагрузок”, аналитическим методом постоянных нагрузок табличным способом. В качестве основных, приняты следующие эксплуатационные режимы: ходовой режим; маневры; стоянка; аварийный. В расчете приняты следующие условные обозначения графика работы приемников электроэнергии в данном эксплуатационном режиме: НР – приемники, работающие непрерывно (суммарное время которых составляет 17-24 ч/сут.); Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 20 ПР – приемники, работающие периодически (суммарное время работы которых составляет 3,5-17 ч/сут.); ЭР – приемники, работающие эпизодически (суммарное время работы которых составляет до 3,5 ч/сут.) График работы приемников принят из условия вероятной потребности включения механизмов и устройств в соответствующем режиме. Расчет всех режимов произведен для периода эксплуатации судна при максимальной загрузке системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Для приемников, у которых отсутствуют паспортные данные, величины К.П.Д.н и Cosϕн, приняты среднестатистические данные для электродвигателей соответствующей мощности и частоты вращения. Данные расчета требуемой мощности источников электроэнергии приведены в таблице. Коэффициент одновременности. Ко для непрерывно и периодически работающих приемников учитывает вероятность не совпадения по времени максимального потребления электроэнергии всех работающих приемников. На основании сделанных расчетов число и мощность генераторов в соответствии с режимами работы судна, следующие: Ходовой режим: 4x450кВт; Стоянка: 1х450 кВт; Маневры: 4х450кВт; Аварийный режим: 4х450 кВт. 3.5. Сравнительный анализ дизель-генераторов По расчетам таблицы нагрузок необходимо выбрать дизель-генератор мощностью 450 кВт. Для этого я выбрал несколько оптимальных моделей и произвел сравнительный анализ. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 21 Далее надлежит проверить соответствие электрических параметров отобранных генераторов требованиям стандарта, провести сравнительный анализ отобранных генераторов и выбрать лучший генератор. По заданной мощности потребителей электроэнергии из справочников выбираются генераторы, наиболее соответствующие условиям эксплуатации. Для окончательного выбора генератора произведем сравнительный анализ моделей, наиболее подходящих по условиям технического задания: Таблица 3.3. Технические параметры дизель-генераторов № Технические характеристики п/п ТСС АД-450С- АД450D-Т400 Марка генератора Т400-РМ11 С АВР 1. Номинальная мощность, кВт 450 450 2. Номинальное напряжение, В 400 400 3. Номинальная частота, Гц 50 50 4. Модель генератора Tss Stamford 5. Номинальная частота вращения, 1500 1500 -1 мин 6. Масса генератора, кг 9440 9500 7. Длина генератора, мм 5270 4850 8. Выстоа генератора, мм 1640 1780 9. Ширина генератора, мм 2340 2310 Из числа требованиям генераторов, стандарта, сравнительного анализа. прошедших обычно Из отбирают каталогов и проверку три на ДГР 450/1000РД 2000 450 400 50 Siemens 1000 9300 5090 1730 2260 соответствие генератора справочников для их технические характеристики генераторов сводятся в таблицу 3.3. Расчет удельной массовой и объемной мощности производится соответственно по выражениям: Рм = Pv = 109 ∙ Pn m (3.20) Pn L∙H∙B (3.21) где L, H, В – длина, высота, ширина генератора, мм; m – масса генератора, кг. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 22 На основании удельной массовой и объемной мощности производятся вычисления интегрального показателя уровня технического совершенства, Pg = Pm ∙ Pv (3.22) Расчет удельной массовой мощности для генератора ТСС АД-450С-Т400-РМ11: Рм = 450 = 0,05 кВт/кг 9440 Расчет удельной объемной мощности для генератора ТСС АД-450С-Т400РМ11: Pv = 109 ∙ 450 = 22,25 кВт/м3 5270 ∙ 1640 ∙ 2340 Вычисление интегрального показателя уровня технического совершенства для генератора ТСС АД-450С-Т400-РМ11: Pg = 0,05 ∙ 22,25 = 1,06 кВт2 /кг ∙ м3 Расчет удельной массовой мощности для генератора АД450D-Т400 С АВР: Рм = 450 = 0,05 кВт/кг 9500 Расчет удельной объемной мощности для генератора АД450D-Т400 С АВР: Pv = 109 ∙ 450 = 22,57 кВт/м3 4850 ∙ 1780 ∙ 2310 Вычисление интегрального показателя уровня технического совершенства для генератора АД450D-Т400 С АВР: Pg = 0,05 ∙ 22,57 = 1,07 кВт2 /кг ∙ м3 Расчет удельной массовой мощности для генератора ДГР 450/1000-РД 2000: Рм = 450 = 0,05 кВт/кг 9300 Расчет удельной объемной мощности для генератора ДГР 450/1000-РД 2000: Pv = 109 ∙ 450 = 22,61 кВт/м3 5090 ∙ 1730 ∙ 2260 Вычисление интегрального показателя уровня технического совершенства для генератора ДГР 450/1000-РД 2000: Pg = 0,05 ∙ 22,61 = 1,09 кВт2 /кг ∙ м3 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 23 Таблица 3.4. Расчетные характеристики генераторов Наименование Значения характеристик № технической ТСС АД-450САД450D-Т400 ДГР 450/1000п/п характеристики Т400-РМ11 С АВР РД 2000 генератора 1 Удельная массовая мощность, 0,05 0,05 0,05 кВт/кг 2 Удельная объемная мощность, 22,25 22,57 22,61 кВт/м3 3 Уровень технического 1,06 1,07 1,09 совершенства, кВт2/(кгм3) Вывод: Наиболее подходящим по параметрам является генератор ДГР 450/1000-РД 2000 который имеет наиболее выгодные характеристики по сравнению с остальными дизель-генераторами. Рисунок 3.4. Внешний вид дизель-генератора ДГР 450/1000-РД 2000 Судовые дизель-генераторы серии РД мощностью 450 кВт серийно производятся ООО «Ремдизель» на базе современных и экономичных средне и высокооборотных судовых двигателей. Продукция широко применяется на морском и речном транспорте в качестве замены аварийных и вспомогательных дизель-генераторов. Судовые дизель-генераторы комплектуются генераторами переменного тока SIEMENS напряжением 400В с частотой тока 50Гц. Продукция сертифицирована Российским Морским Регистром Судоходства (СТО № 09.60055.130 от 08.09.2009г, № 09.60056.130 от 08.09.2009г.) и Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 24 Российским Речным Регистром (СТО № ОИФ-01-114-09 от 07.10.2009, № ОИФ01-115-09 от 07.10.2009г, № ОИФ-01-116-09 от 07.10.2009г) Таблица 3.5. Технические характеристики дизель-генератора ДГР 450/1000-РД 2000 Параметр Мощность дизель-генератора номинальная, кВт Модель генератора Напряжение, В Род тока Модель двигателя Тип двигателя Частота вращения двигателя, об/мин Мощность двигателя, кВт Диаметр поршня, мм Ход поршня, мм Число и расположение цилиндров Пуск двигателя Система охлаждения Марка топлива по ГОСТ 305-82 Марка масла: по ГОСТ 174791-85 по SAE Удельный расход топлива, г./кВтхч. Удельный расход масла, г./кВтхч. Модель системы АПС и защиты двигателя Параметры срабатывания сигнализации двигателя Параметры срабатывания защиты двигателя Габаритные размеры агрегата, ДхШхВ, мм Масса агрегата,кг Наработка до среднего ремонта, час Наработка до капитального ремонта, час Гарантийный период Значение 450 Siemens 400 трёхфазный, переменный RD48 4-х тактный, с водяным охлаждением, турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувачного воздуха, с прямым впрыском топлива 1000 500 190 210 8-ми цилиндровый, рядный воздушный или электрический стартер водо-водяная Л-0,2; Л-0,5; З-0,2; З-0,5 М14Г2 40CD, 15W/40CD или 15W/40CC 202 1,2 Иртыш 7СУ6-32 по протечке топлива, по максимальной частоте вращения, по минимальному давлению масла, по максимальной температуре воды, по максимальной температуре масла по максимальной частоте вращения, по минимальному давлению масла 5090х1730х2260 9300 20000 60000 12 месяцев с момента ввода ДГ в эксплуатацию, но не более 15 месяцев с даты поставки Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 25 3.6. Выбор фидеров 3.6.1. Выбор сечения и марки кабеля Необходимое сечение кабеля определяется по номинальному току нагрузки с учетом числа жил кабелей, способа прокладки и длительности тока нагрузки на кабель согласно таблице 12.2.1-2 части IV ПСВП Правил РРР. Таблица 3.6. Допустимая токовая нагрузка на кабели Допустимая токовая нагрузка, А, для Номинальное Допустимая токовая нагрузка, А, для сечение жил, кабелей марок КНР, КНРЭ, в зависимости кабелей марки НРШМ в зависимости от от температуры на токопроводящих жилах, мм2 температуры на токопроводящих жилах, °С °С одножильных двухжильных трехжильных одножильных двухжильных трехжильных 55 65 55 65 55 65 55 65 55 65 55 65 1.0 11 16 10 14 9 13 11 15 9 13 8 11 1.5 15 21 13 18 11 16 13 19 12 17 9 13 2.5 21 29 17 24 15 21 18 26 17 24 13 19 4.0 27 38 23 32 21 29 24 34 21 30 17 24 6.0 34 48 28 40 25 36 31 44 26 37 22 31 10.0 47 67 38 54 35 49 42 60 36 51 31 44 16.0 64 90 50 71 45 63 55 79 47 67 40 57 25.0 86 121 64 90 61 86 73 104 61 87 53 75 35.0 105 148 78 110 75 106 90 128 76 109 65 93 50.0 123 174 96 136 93 131 113 161 95 136 83 118 70.0 158 224 116 164 112 158 139 198 118 169 100 143 95.0 196 277 139 196 136 192 172 245 120 172 120.0 221 312 158 223 156 220 200 285 142 203 150.0 257 363 178 252 231 330 185.0 287 406 263 375 240.0 343 485 314 448 - Исходя из данной таблицы выбираются фидеры: Для участка генератор – ГРЩ выбираю по два одножильных кабеля марки КНР с номинальным сечением жилы 240мм2 для каждой фазы. Для участка ГРЩ – Щит гребной установки выбираю по два одножильных кабеля марки КНР с номинальным сечением жилы 240мм2 для каждой фазы. Для участка Щит гребной установки – Гребной электродвигатель выбираю по два одножильных кабеля марки КНР с номинальным сечением жилы 240мм2 для каждой фазы. Преимущества использования кабеля КНР: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 26 1. Три многопроволочные медные токопроводящие жилы, соответствующие 2 классу по ГОСТ 22483-2012. 2. Изоляция из резины номинальной толщиной 1,8 мм. Возможно наложение на токопроводящую жилу синтетической плёнки для предотвращения прилипания изоляции. 3. Разделительный слой в виде обмотки из синтетической плёнки с перекрытием не менее 10%. Допускается отсутствие разделительного слоя, если изоляция не прилипает к оболочке. 4. Оболочка из маслостойкой резины, не распространяющей горение, номинальной толщиной 3,5 мм. 3.6.2. Расчет падения напряжения Определить провал напряжения на клеммах генераторов при выбранном сечении кабелей. Падение напряжения должно быть не более: 1 % - на кабеле, соединяющим генераторы с распределительным щитом; согласно п. 12.3.1 части IV Правил РРР, Расчет падения напряжения в трёхпроводной сети производится по формуле: √3 ∙ I ∙ L ∙ (RL ∙ cosφ + XL ∙ cosφ ) ∙ 100 U∙n где: I -ток на рассчитываемом участке сети (ток генератора), А; ∆U = (3.23) L - длина кабеля рассчитываемого участка, км; RL - активное сопротивление кабеля КНР, Ом/км; ХL - индуктивное сопротивление кабеля КНР, Ом/км; n - число параллельных кабелей в линии; U - напряжение сети, В. Расчет падения напряжения на участке Генератор№1 – ГРЩ: ∆U = √3 ∙ 910 ∙ 0.005 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.0584 % 400 ∙ 3 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 27 Расчет падения напряжения на участке Генератор№2 – ГРЩ: ∆U = √3 ∙ 910 ∙ 0.005 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.0584 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке Генератор№3 – ГРЩ: ∆U = √3 ∙ 910 ∙ 0.005 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.0584 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке Генератор№4 – ГРЩ: ∆U = √3 ∙ 910 ∙ 0.012 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.14 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке Генератор№5 – ГРЩ: ∆U = √3 ∙ 910 ∙ 0.012 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.14 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке ГРЩ – Щит гребной установки №1: ∆U = √3 ∙ 840 ∙ 0.032 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.374 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке ГРЩ – Щит гребной установки №2: ∆U = √3 ∙ 840 ∙ 0.032 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.374 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке ГРЩ – Щит гребной установки №3: ∆U = √3 ∙ 840 ∙ 0.032 ∙ (0.077 ∙ 0.8 + 0.058 ∙ 0.6) ∙ 100 = 0.374 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке ЩГУ №1 – ГЭД №1: ∆U = √3 ∙ 820 ∙ 0.011 ∙ (0.077 ∙ 0.89 + 0.058 ∙ 0.45) ∙ 100 = 0.123 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке ЩГУ №2 – ГЭД №2: ∆U = √3 ∙ 820 ∙ 0.011 ∙ (0.077 ∙ 0.89 + 0.058 ∙ 0.45) ∙ 100 = 0.123 % 400 ∙ 3 Расчет падения напряжения на участке ЩГУ №3 – ГЭД №3: ∆U = √3 ∙ 820 ∙ 0.011 ∙ (0.077 ∙ 0.89 + 0.058 ∙ 0.45) ∙ 100 = 0.123 % 400 ∙ 3 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 28 Результаты расчета падения напряжения в силовой цепи приводятся в таблице 3.7. Выбранная площадь Жильность и сечение выбранного кабеля, мм2 Расчетная длина, м Падение напряжения ΔU, % G1 – ГРЩ G2 – ГРЩ G3 – ГРЩ G4 – ГРЩ G5 – ГРЩ ГРЩ – Щит гребной установки №1 ГРЩ – Щит гребной установки №2 ГРЩ – Щит гребной установки №3 Щит гребной установки №1 – гребной электродвигатель №1 Щит гребной установки №2 – гребной электродвигатель №2 Щит гребной установки №3 – гребной электродвигатель №3 Сила тока I, А Участок сети Потребляемая мощность Р, кВт Таблица 3.7. Результаты расчета падения напряжения в кабеле 450 450 450 450 450 450 450 450 910 910 910 910 910 840 840 840 3х(2х240) 3х(2х240) 3х(2х240) 3х(2х240) 3х(2х240) 3х(2х240) 3х(2х240) 3х(2х240) 5 5 5 12 12 32 32 32 0,0584 0,0584 0,0584 0,14 0,14 0,374 0,374 0,374 450 820 3х(2х240) 11 0,123 450 820 3х(2х240) 11 0,123 450 820 3х(2х240) 11 0,123 сечения кабеля для питания приемников электроэнергии силовой цепи удовлетворяет условиям РРР допустимого падения напряжения в 1% . 3.7. Выбор автоматических выключателей Автоматические выключатели защищают электрическое оборудование от перегрузок, токов короткого замыкания и импульсных перенапряжений. Автоматические выключатели бывают трёх видов: уравнительные, дифференциальные и пакетные. Уравнительные автоматические выключатели предназначены для защиты от токов перегрузки и токов короткого замыкания. Они автоматически размыкают цепь при превышении тока уставки. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 29 Дифференциальные автоматические выключатели применяются для защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции и от бросков тока при коротком замыкании. При выборе номинального тока автоматического выключателя следует учитывать следующие факторы: номинальное напряжение цепи, к которой присоединяется выключатель; температуру окружающей среды; – вид установки (внутренняя или наружная); возможность отключения током, превышающим номинальный; наличие защиты от перенапряжений и электромагнитных помех; необходимость отключения тока короткого замыкания; применение защитных устройств. Выбираем выключатель с комбинированным расцепителем. Из выражения номинальный ток расцепителя: Imax.р = (1,1 – 1,25) ꞏ Iраб (3.24) Imax.р = 1,1ꞏ Iраб=1.1ꞏ 910= 1000 A По каталогу КЭАЗ выбираю 3-полюсный автоматический выключатель ВА55-41-340010-1000А-690AC-УХЛ3 108238. Рисунок 3.5. Автоматический выключатель ВА55-41-340010-1000А-690AC-УХЛ3 108238 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 30 Блочный автоматический 3 полюсный выключатель переменного тока с предельной коммутационной способностью при переменном токе 55 кА на номинальный ток 1000А. Выключатели КЭАЗ предназначены для применения в электрических цепях переменного тока частоты 50/60 Гц напряжением 690В, для нечастых оперативных включений и отключений (до 6 в час), указанных цепей и защиты электрооборудования от перегрузок и коротких замыкании, а также не частых прямых пусков асинхронных двигателей. Выключатели изготавливаются с полупроводниковым максимальным расцепителем тока на базе микроконтроллера Almega 16L. 3.8. Выбор органов управления ГЭУ В качестве органа управления ГЭУ выбираю промышленные джойстики RT-100. Рисунок 3.6. Внешний вид джойстика RT-100 Данный промышленный электроприводах с джойстик используется в основном пропорциональным управлением или в частотно- регулируемых приводах. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 31 3.9. Выбор щитовых приборов По требованию Правил Регистра на каждой генераторной панели устанавливают вольтметр, амперметр, ваттметр, частотомер и другие необходимые приборы. Выбор измерительных приборов должен производиться по требованиям технической документации на данное оборудование. В практике судовых электроэнергетических систем применяют приборы с пределами измерения тока и напряжения от 5 до 1000 А и от 2 до 500 В. Для измерения силы тока служат амперметры, а напряжения – вольтметры. Приборы должны быть прочными, обладать высокой степенью защиты от внешних воздействий, быть удобными в работе. Амперметр должен иметь шкалу, разбитую на классы точности, и быть легко считываемым. Шкала должна быть выполнена из прозрачного материала, который позволяет наблюдать показания прибора и визуально контролировать режим работы. Вольтметр должен быть защищен от электрических помех и иметь класс точности не ниже 2,5. При выборе измерительных приборов необходимо руководствоваться следующими основными правилами: в процессе эксплуатации приборы должны сохранять свое рабочее состояние; Класс точности приборов, устанавливаемых на судне, – 1,5 или 2,5. Амперметры выбирают со шкалой, позволяющей измерять величины, превышающие номинальную на 30 %, вольтметры на 20 %, ваттметры на – 15 % ÷ +130 %, частотомеры на 10 %. Выбор приборов для щита электродвижения производится аналогично выбору приборов для генераторной панели. Все выбранные приборы указаны в таблице. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 32 Таблица 3.10. Выбор щитовых приборов Наименование Род тока Панель генератора Амперметр Вольтметр Ваттметр Частотомер Переменный Мегомметр Измерительный трансформатор тока Панель электродвигателя Амперметр Вольтметр Ваттметр Частотомер Переменный Мегомметр Измерительный трансформатор тока Пределы измерения Потребляемая мощность, Вт Д1500 Д1500 Д1503 Д1506 М1604/1 ТШС – 0,66ОМЗ 0-1000А 0-500В 0-500кВт 45-55Гц 0-5МОм 3,5 4,5 7/3 9 8 0-1000А 10 Д1500 Д1500 Д1503 Д1506 М1604/1 ТШС – 0,66ОМЗ 0-1000А 0-500В 0-500кВт 45-55Гц 0-5МОм 3,5 4,5 7/3 9 8 0-1000А 10 Тип Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 33 4. Расчет и построение статических характеристик Суммарный момент инерции 𝐽∑ д = 1,5 ∙ 𝐽д (4.1) 𝐽∑ д = 1,5 ∙ 280 = 420 кг ∙ м2 где Jд – момент инерции ГЭД. Номинальный момент ГЭД Рном ∙ 103 ∙ 60 Мном = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛ном (4.2) где Рном – номинальная мощность ГЭД, кВт; nном – номинальная частота вращения ГЭД. 450 ∙ 103 ∙ 60 Мном = = 8685,6 Н ∙ м 2 ∙ 3,14 ∙ 495 Электромеханическая постоянная времени ТЭМ = ТЭМ = 2 ∙ π ∙ nном ∙ 𝐽∑ д 60 ∙ Мном (4.3) 2 ∙ π ∙ 495 ∙ 420 = 2,5 с 60 ∙ 8685,6 Расчёт и построение винтовой характеристики при движении на свободной воде (статической). Расчёт по уравнению Мв = n2 (4.4) Таблица 4.1. Статическая характеристика винта при ходе на свободной воде nв, об/мин 49,5 99,0 148,5 198,0 247,5 297,0 346,5 396,0 445,5 495,0 Mв, кН 0,1 0,4 0,8 1,4 2,2 3,1 4,3 5,6 7,0 8,7 Расчёт и построение винтовой характеристики в швартовном режиме по уравнению: Мв = 1.67 ∙ n2 (4.5) где п получен из расчета, что при переходе со свободной воды на швартовную происходит при той же п. Результаты расчёта сведены в таблицу 4.2. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 34 Таблица 4.2. Швартовная винтовая характеристика nв, об/мин 49,5 99,0 148,5 198,0 247,5 297,0 346,5 396,0 445,5 495,0 n2в, об/мин 4,95 19,8 44,55 79,2 123,75 178,2 242,55 316,8 400,95 495 Mв, кН 0,15 0,58 1,3 2,31 3,61 5,21 7,09 9,21 11,72 14,5 Расчёт и построение гиперболы и постоянной мощности по уравнению Мв ∙ nв = 1 (4.6) Результаты расчёта сведены в таблицу 4.3. Таблица 4.3. Гипербола Pв=Мв*nв=const nв, об/мин 643,5 594 544,5 495 445,5 396 346,5 297 Mв, кН 6,68 7,21 7,9 8,69 9,64 10,86 12,42 14,5 Расчёт и построение пусковой механической характеристики ГЭД при плавном пуске: Мд = 0,25 + 0,85 ∙ n2 (4.7) Результаты расчёта сведены таблицу 4.4, Таблица 4.4. Характеристика при плавном пуске nв, об/мин 49,5 99 148,5 198 247,5 297 346,5 396 445,5 495 n2в, об/мин 4,95 19,8 44,55 79,2 123,75 178,2 242,55 316,8 400,95 495 Mв, кН 2,24 2,47 2,83 3,35 4,02 4,83 5,82 6,9 8,15 9,55 Расчёт и построение пусковой механической характеристики ГЭД при ускоренном пуске: Мд = 0,5 + 0,937 ∙ 𝑛2 (4.8) Результаты расчёта сведены таблицу 4.5. Таблица 4.5. Характеристика при ускоренном пуске nв, об/мин 49,5 99 148,5 198 247,5 297 346,5 396 445,5 495 n2в, об/мин 4,95 19,8 44,55 79,2 123,75 178,2 242,55 316,8 400,95 495 Mв, кН 4,42 4,66 5,07 5,65 6,38 7,27 8,33 9,55 10,94 12,48 По полученным данным строим механические характеристики винтов и гребных электродвигателей. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 35 16,0 Мв=nв^2 Мв=1,67*nв^2 14,0 Мв*nв=1 М, кН*м 12,0 Мд=0,25+0,85*n^2 Мд=0,5+0,937*n^2 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 50 99 149 198 248 297 347 396 446 495 545 594 644 n, об/мин Рисунок 4.1. Статические характеристики винтов и гребных электродвигателей По оси «n» диаграммы пуска ГЭД разбиваем на 6 участков 1. Δn1=Δn2=0,2 2. Δn3=Δn4=Δn5=Δn6=0,1 В интервалах каждого участка находим средние значения: Характеристики винта; Швартовной характеристики винта; Моментов двигателя по характеристике плавного пуска. Моментов двигателя по характеристике ускоренного пуска. Расчет времени пуска ГЭД от n=0 до n=0.8*nnom ∆𝑡1 = ТЭМ ∙ ∆𝑛1 Мд.ср1 − Мв.ср1 (4.9) Результаты расчетов при плавном пуске сведены в таблице 4.6. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 36 Таблица 4.6. Расчет времени пуска ГЭД при плавном пуске Δn 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 nср 49,5 148,5 222,75 272,25 321,75 371,25 Мд.ср 1,23 2,91 3,68 4,43 5,32 6,36 Мв.ср 0,17 0,87 1,78 2,65 3,69 4,91 Мд.ср-Мв.ср 1,06 2,04 1,9 1,78 1,63 1,45 Δt1 4,1 2,1 1,1 1,2 1,3 1,5 t1 4,1 6,2 7,4 8,6 9,9 11,4 Таблица 4.7. Результаты расчетов при ускоренном пуске Δn 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 nср 49,5 148,5 222,75 272,25 321,75 371,25 Мд.ср 2,33 5,15 6,01 6,83 7,8 8,95 Мв.ср 0,29 1,44 2,96 4,41 6,15 8,15 Мд.ср-Мв.ср 2,04 3,71 3,05 2,42 1,65 0,8 Δt1 2,1 1,2 0,7 0,9 1,3 2,7 t1 2,1 3,3 4,0 4,9 6,2 9,0 Как видно из расчетов, время пуска составляет 9,0 секунд, это обусловлено относительно высокой скоростью вращения электродвигателя. В автоматизированной ГЭУ переход со швартовой на «свободную» характеристику выполняется по мере набора скорости судном. В конце разгона судна все параметры ГЭУ приходят к номинальным значениям. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 37 5. Расчет и построение механических характеристик Для демонстрации работы электропривода при частотном регулировании произвожу расчет механических характеристик. Для удобства расчетов выписываю паспортные данные электродвигателя в отдельную таблицу. Параметры схемы замещения При коротком В номинальном замыкани режиме и Таблица 5.1.Технические данные выбранного электродвигателя № Параметр Обозначение п/п 1 Модель двигателя 2 Номинальная мощность Pn 3 Номинальное напряжение Un 4 Номинальная частота вращения nnom 5 Синхронная частота вращения n0 6 КПД η 7 Коэффициент мощности cosφ 8 Номинальная частота сети fn Индуктивное сопротивление контура 9 Xμ намагничивания Активное сопротивление 10 R'1 статора Реактивное сопротивление 11 X'1 статора Приведенное активное 12 R''2 сопротивление ротора Приведенное реактивное 13 X''2 сопротивление ротора 14 15 Активное сопротивление Rkp Реактивное сопротивление Xkp Единицы измерения Значение EG5005-12 Вт В Об/мин Об/мин Гц Относительные единицы Относительные единицы Относительные единицы Относительные единицы Относительные единицы Относительные единицы Относительные единицы 450000 380 495 600 0,935 0,89 50 6 0,012 0,02 0,07 0,16 0,071 0,21 Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя путем изменения частоты напряжения питания возможно благодаря тому, что скорость электромагнитного поля статора пропорциональна частоте напряжения питания: 2∙π∙f (5.1) 𝑝 Следует также учесть, что поскольку с изменением частоты напряжения 𝜔0 = питания изменяется и поток двигателя Ф1: Ф1 = Е1 𝑈1 ≈ 𝑘 ∙ 𝑓1 𝑘 ∙ 𝑓1 (5.2) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 38 Поэтому в большинстве случаев одновременно с изменением частоты напряжения питания необходимо регулировать и его амплитуду. Регулирование напряжения при уменьшении частоты ниже номинальной необходимо потому, что из-за уменьшения индуктивного сопротивления обмоток двигателя ток намагничивания будет возрастать, что приведет к насыщению магнитопровода двигателя и его перегреву. Регулирование напряжения следует проводить таким образом, чтобы скольжение двигателя было минимальным. Для анализа электромеханических характеристик двигателя при частотном регулировании рассмотрим Т-образную схему замещения. Рисунок 5.1. Схема замещения асинхронного двигателя Нужно заметить, что при номинальной частоте 50 Гц индуктивное сопротивление контура намагничивания xµн на порядок (для машин малой мощности) или на два порядка (для машин большой мощности) больше, чем активное сопротивление обмотки статора r1. Поэтому при анализе и расчете электромеханических характеристик асинхронных двигателей, работающих при постоянной номинальной частоте напряжения питания, сопротивлением r1 обычно пренебрегают. Если же двигатель работает с переменной частотой напряжения, то при снижении частоты сопротивление r1 становится соизмеримым с реактивными сопротивлениями машины и необходимо учитывать сопротивление r1. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 39 Построение характеристик начинаем с перевода значений сопротивлений схемы замещения из относительных единиц в именованные. Для этого значения в относительных единицах умножают на отношение фазного тока к фазному напряжению. Номинальный фазный ток: Pn η ∙ cos φ ∙ Uf ∙ 3 где: Pn – номинальная мощность двигателя, Вт; Iном = (5.3) Uf – фазное напряжение, В; η – КПД электродвигателя; cosφ – косинус фи электродвигателя. Iном = 450000 = 819,34 A 0,935 ∙ 0,89∙ 220 ∙ 3 Реактивное сопротивление статора: x1 = где: Uf – фазное напряжение, В; Х1 ∙ Uf Iном (5.4) Iном– фазный ток, А. x1 = 0,02 ∙ 220 = 0,006 Ом 819,34 Активное сопротивление статора: R 1 ∙ Uф Iном 0,012 ∙ 220 r1 = = 0,004 Ом 819,34 r1 = (5.5) Приведенное реактивное сопротивление ротора: Х2 ∙ U ф Iном 0,16 ∙ 220 x2 = = 0,043 Ом 819,34 x2 = (5.6) Приведенное активное сопротивление ротора: r2 = R 2 ∙ Uф Iном (5.7) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 40 r2 = 0,07 ∙ 220 = 0,019 Ом 819,34 Индуктивное сопротивление контура намагничивания: Хμ ∙ U ф Iном 6 ∙ 220 xμ = = 1,612 Ом 819,34 xμ = (5.8) Реактивное сопротивление при коротком замыкании: Хк ∙ U ф Iном 0,21 ∙ 220 xk = = 0,057 Ом 819,34 xk = (5.9) Активное сопротивление при коротком замыкании: R к ∙ Uф Iном 0,071 ∙ 220 rk = = 0,02 Ом 819,34 rk = (5.10) Далее осуществляем перевод частоты вращения из оборотов в минуту в радианы в секунду: Синхронная частота: 2 ∙ π ∙ n0 60 где: n0 – синхронная частота вращения в об/мин. ω0 = (5.11) 2 ∙ π ∙ 600 = 62,8 рад/сек 60 ω0 = Номинальная частота вращения: 2 ∙ π ∙ nn 60 где: nn – номинальная частота вращения в об/мин. ωn = ωn = (5.12) 2 ∙ π ∙ 495 = 51,81 рад/сек 60 Номинальное скольжение находится по формуле: ω0 − ωном Sном = ω0 (5.13) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 41 Sном = Для построения 62,8 − 51,81 = 0,175 62,8 механических характеристик рассчитываем относительную частоту напряжения сети: f1 fn подаваемого напряжения α= где: f1 – частота (5.14) на обмотку статора электродвигателя; fn – номинальная частота напряжения. α= 50 =1 50 Номинальный момент электродвигателя: 3 ∙ Uf2 ∙ r2 Mн = ω0 ∙ Sном ∙ [xk2 ∙ α2 + (r1 + 2 r2 2 r1 ∙ r2 ) +( ) ] Sном Sном ∙ xμ ∙ α (5.15) 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 Mн = 62,8 ∙ 0,175 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 ) +( ) ] 0,175 0,175 ∙ 1,612 ∙ 1 = 8685,58 Н ∙ м Критическое скольжение: r 1 + ( 1 )2 xμ ∙ α Sk = ±r2` ∙ √ 2 r1 + xк2 ∙ α2 (5.16) 0,004 2 1+( ) 1,612 ∙ 1 √ Sk = 0,019 ∙ = 0,33 0,004 + 0,0432 ∙ 12 Критический момент электродвигателя: 3 ∙ Uf2 Mk = 2 ∙ ω0 ∙ [r1 ± √(r12 + xk2 ∙ α2 ) ∙ (1 + r12 )] xμ2 ∙ α2 (5.17) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 42 3 ∙ 2202 Mk = 2 ∙ 62,8 ∙ [0,004 + √(0,0042 + 0,0572 ∙ 12 ) ∙ (1 + 0,0042 )] 1,6122 ∙ 12 = 18908,15 Н ∙ м Построение естественной характеристики будем производить по нескольким точкам, которые рассчитываются на основе заданных значений скольжения от 0 до 1 Нахождение моментов соответствующим заданным значениям скольжения производится по формуле: М= 3 ∙ Uf2 ∙ r2 r2 2 r1 ∙ r2 2 2 2 ω0 ∙ S ∙ [xk ∙ α + (r1 + ) + ( ) ] S S ∙ xμ ∙ α (5.18) где: Uf – фазное напряжение электродвигателя; r2 – приведенное активное сопротивление ротора; ω0 – синхронная частота вращения; S – заданное скольжение; Xk – Индуктивное сопротивление короткого замыкания; α – относительная частота напряжения подаваемого на обмотку статора; r1 – активное сопротивление статора; Xμ – индуктивное сопротивление контура намагничивания. Далее производится подстановка всех значений в вышеприведенную формулу и рассчитываются значения моментов соответствующих заданным значениям скольжения: M0 = 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 0,019 62,8 ∙ 0 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + ) 0 M1 = 2 0,004 ∙ 0,019 2 +( ) ] 0 ∙ 1,612 ∙ 1 =0Н∙м 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 2 2 62,8 ∙ 0,1 ∙ [0,057 ∙ 1 + (0,004 + ) +( ) ] 0,1 0,1 ∙ 1,612 ∙ 1 = 10744,7 Н ∙ м Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 43 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 M2 = 62,8 ∙ 0,2 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 ) +( ) ] 0,2 0,2 ∙ 1,612 ∙ 1 = 16831,32 Н ∙ м M3 = 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 0,019 62,8 ∙ 0,3 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + ) 2 0,3 0,004 ∙ 0,019 2 +( ) ] 0,3 ∙ 1,612 ∙ 1 = 18814,96 Н ∙ м 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 M4 = 62,8 ∙ 0,4 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 ) +( ) ] 0,4 0,4 ∙ 1,612 ∙ 1 = 18610,39 Н ∙ м M5 = 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 0,019 62,8 ∙ 0,5 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + ) 2 0,5 0,004 ∙ 0,019 2 +( ) ] 0,5 ∙ 1,612 ∙ 1 = 17526,37 Н ∙ м 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 M6 = 62,8 ∙ 0,6 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 ) +( ) ] 0,6 0,6 ∙ 1,612 ∙ 1 = 16194,35 Н ∙ м M7 = 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 0,019 62,8 ∙ 0,7 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + ) 0,7 2 0,004 ∙ 0,019 2 +( ) ] 0,7 ∙ 1,612 ∙ 1 = 14875,28 Н ∙ м 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 M8 = 62,8 ∙ 0,8 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 ) +( ) ] 0,8 0,8 ∙ 1,612 ∙ 1 = 13662,98 Н ∙ м M9 = 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 2 2 62,8 ∙ 0,9 ∙ [0,057 ∙ 1 + (0,004 + ) +( ) ] 0,9 0,9 ∙ 1,612 ∙ 1 = 12581,56 Н ∙ м Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 44 3 ∙ 2202 ∙ 0,019 M10 = 62,8 ∙ 1 ∙ [0,0572 ∙ 12 + (0,004 + 0,019 2 0,004 ∙ 0,019 2 ) +( ) ] 1 1 ∙ 1,612 ∙ 1 = 11627,82 Н ∙ м Далее на основе заданных значений скольжения производим расчёт угловой частоты вращения по формуле: ω = ω0 ∙ (1 − S) ω1 = 62,8 ∙ (1 − 0,1) = 56,5 рад/сек (5.19) ω2 = 62,8 ∙ (1 − 0,1) = 50,2 рад/сек ω3 = 62,8 ∙ (1 − 0,3) = 44 рад/сек ω4 = 62,8 ∙ (1 − 0,4) = 37,7 рад/сек ω5 = 62,8 ∙ (1 − 0,5) = 31,4 рад/сек ω6 = 62,8 ∙ (1 − 0,6) = 25,1 рад/сек ω7 = 62,8 ∙ (1 − 0,7) = 18,8 рад/сек ω8 = 62,8 ∙ (1 − 0,8) = 12,6 рад/сек ω9 = 62,8 ∙ (1 − 0,9) = 6,3 рад/сек ω10 = 62,8 ∙ (1 − 1) = 0 рад/сек Таблица 5.2. Рассчетные данные для построения естественной механической характеристики Значение скольжения 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 По значениям из Угловая скорость, Значение рад/сек момента, Н·м 62,8 0 56,5 10744,7 50,2 16831,32 44 18814,96 37,7 18610,39 31,4 17526,37 25,1 16194,35 18,8 14875,28 12,6 13662,98 6,3 12581,56 0 11627,82 таблицы строим естественную механическую характеристику электродвигателя Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 45 Рисунок 5.2.Естественная механическая характеристика электродвигателя Для построения искусственных характеристик при частотном регулировании скорости вращения ротора электродвигателя. Из формулы критического момента следует, что если пренебречь активным сопротивлением статора (R1=0), то, для того чтобы при частотном регулировании (уменьшении частоты ниже номинальной) сохранять критический момент постоянным, нужно напряжение изменять пропорционально изменению частоты: Таким образом, U1 = const f1 задав частоту ниже (5.20) номинальной, мы получаем уменьшение напряжения прямо пропорционально относительной частоте напряжения подаваемого на статорную обмотку электродвигателя: f2 fn подаваемого напряжения α= где: f2 – частота (5.21) на обмотку статора электродвигателя; fn – номинальная частота напряжения. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 46 α= 50 = 0,9 45 Соответственно напряжение будет равно: Uf2 = Uf ∙ α Uf2 = 220 ∙ 0,9 = 198 B (5.22) А синхронная угловая скорость: 𝜔02 = 𝜔0 ∙ 𝛼 𝜔02 = 62,8 ∙ 0,9 = 57 рад/сек (5.23) Аналогично считаются значения моментов и угловой скорости для других значений частоты ниже номинальной. Полученные данные сводятся в единую таблицу. Таблица 5.3.Рассчетные данные для построения искусственной механической характеристики 0,9 1 30 1 0,9 0,8 0,7 0,6 62,8 57 50 44 38 31 25 0 10745 16831 18815 18610 17526 16194 57 51 46 40 34 29 23 0 9736 15766 18237 18549 17837 16738 50 45 40 35 30 25 20 0 8891 14862 17799 18658 18376 17561 19 13 14875 17 15550 13663 11 14406 15 10 16544 15491 9 17132 16258 6 0 12582 11628 5 0 14479 13538 4 0 15359 14485 6 0 13353 12404 Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м 0,8 35 Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м 0,7 40 Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 45 Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Скольжение 50 Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Частота питающего напряжения, Гц Относительная частота 44 40 35 31 26 22 18 13 38 34 30 27 23 19 15 11 0 6735 11912 15275 17096 17818 17840 17451 8 4 16843 16131 0 15386 0 7832 13483 16718 18097 18309 17878 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 47 По данным таблицы строятся искусственные механические характеристики. Рисунок 5.3 Искусственные механические характеристики исполнительного электродвигателя В первом приближении пропорциональное регулирование напряжения обеспечивает работу двигателя с постоянным потоком. в действительности при малых значениях частоты, падение напряжения на сопротивлении r1 существенно снижает напряжение, прикладываемое к контуру намагничивания: (5.24) 𝑈аб = 𝑈1 − 𝐼1 ∙ 𝑟1 Падение напряжения на индуктивном сопротивлении х1 уменьшается с уменьшением частоты и поэтому не оказывает такого влияния на напряжение Ủаб, как падение напряжения на активном сопротивлении r1 получаются механические характеристики. При малых частотах, когда относительное падение напряжения на сопротивлении r1 становится значимым, поток двигателя уменьшается и соответственно уменьшается максимальный. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 48 Поэтому, для того чтобы регулировать скорость двигателя, сохраняя максимальный момент двигателя постоянным, нужно напряжение уменьшать в меньшей степени, чем частоту: U` Uf ∙ α + I1 ∙ r1 ∙ (1 − α) = α α Где: U` - относительная величина напряжения; (5.25) Uf – номинальное фазное напряжение; α – относительная частота напряжения питания; I1 – номинальный фазный ток; r1 – активное сопротивление статора. Такой способ регулирования напряжения называют пропорциональным регулированием с Ir-компенсацией. Далее по формулам, приведенным выше, рассчитывается значение момента с учетом падения напряжения и угловой скорости вращения соответствующим заданным скольжениям. Полученные данные сводятся в таблицу и по этим значениям строятся механические характеристики. Скольжение Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Синхронная частота, рад/сек Момент, Н*м Таблица 5.4. Расчетные данные для построения искусственной механической характеристики при IR - компенсации Частота 30 35 питающего 50 45 40 напряжения, Гц Относительная 0,6 1 частота 0,9 0,8 0,7 0 0,1 0,2 0,3 0,4 62,8 57 50 44 38 0 10745 16831 18815 18610 57 51 46 40 34 0 9736 15766 18237 18549 50 45 40 35 30 0 8891 14862 17799 18658 44 40 35 31 26 38 34 30 27 23 0 6735 11912 15275 17096 0 7832 13483 16718 18097 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 49 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 31 25 19 13 6 0 17526 16194 14875 13663 12582 11628 29 23 17 11 6 0 17837 16738 15550 14406 13353 12404 25 20 15 10 5 0 18376 17561 16544 15491 14479 13538 22 18 13 9 4 0 18309 17878 17132 16258 15359 14485 19 15 11 8 4 0 17818 17840 17451 16843 16131 15386 Рисунок 5.4. Искусственные механические характеристики исполнительного электродвигателя Как видно по итогам расчетов и построения искусственных характеристик электропривода, для поддержания одинакового максимального момента необходимо напряжение и частоту изменять в разных пропорциях, это необходимо для компенсации падения напряжения на активном сопротивлении статора электродвигателя. Проще говоря при использовании преобразователя частоты при его программировании необходимо включить функцию IRкомпенсации. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 50 6. Экономические показатели 6.1. Расчет стоимости капиталовложений Стоимость электрооборудования включает: цену приобретения нового электрооборудования; стоимость его доставки: стоимость монтажа электрооборудования на судне. № п/п Наименование электрооборудования Количество единиц или м, кг Цена единицы оборудования, материалов, руб. Общая стоимость оборудования, материалов, руб. Вес единицы оборудования, материалов, кг Общий вес оборудования, материалов, кг. Норма выработки, кг/ч Трудоемкость, нормо-час. Таблица 6.1. Цена покупки приобретаемого оборудования и монтажных работ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 3 2000000 6000000 2050,00 6150 15 410 2 Электродвигатель EG5005-12 Преобразователь частоты STV900C45N4 3 4500000 13500000 860,00 2580 1 5160 3 Дизель-генератор 5 57000 285000 5090,00 25450 10 2545 4 Джойстик 3 55000 165000 1,30 4 1 4 5 Кабель КНР 240мм2 168 3800 638400 4,00 672 15 45 6 Автоматический выключатель ВА55-1000А 8 76000 608000 27,00 216 2 108 7 Итого 190 6691800 21196400 8032 35072 44 8272 Наименование и количество единиц электрооборудования или материалов (см. табл. 6.2, графы 2, 3) принимается из материалов дипломного проекта. Цены единицы оборудования или материалов принимаются по действующим прейскурантам. Вес единицы оборудования, материалов принимается из проектной документации на предприятии или других документов. Нормы выработки при изготовлении и монтаже электрооборудования (кг/ч) рекомендуется принимать в следующих значениях: 6 -15 - для генераторов, трансформаторов и электродвигателей; 1,3 - 4,0 - для электрооборудования и связи; 0,3 - 0,8 - для систем автоматического регулирования, регулирующих устройств и контрольно-измерительных приборов. Трудоемкость определяется делением общего веса на норму выработки. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 51 Таблица 6.2. Расчет стоимости капиталовложений № Статьи затрат статей 1 Цена покупки приобретаемого оборудования 2 Транспортно-заготовительные расходы Основная заработная плата производственных рабочих за 3 выполнение монтажных работ 4 Дополнительная заработная плата производственных рабочих Отчисления в фонды: пенсионный, социальное и медицинское 5 страхование 6 Расходы на подготовку и освоение производства 7 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования 8 Общецеховые и общезаводские расходы 9 Итого по статьям 1-8 10 Прочие производственные расходы 11 Итого производственная себестоимость (п.9+п.10) 12 Плановые накопления (прибыль) 13 Стоимость капиталовложений, всего Значение 21196400 2543568 4466718 536006 1500817 223336 4690054 2751498 37908397 758168 38666565 9666641 48333207 Расчет статей затрат выполняется следующим образом: Цена покупки приобретаемого оборудования берется из данных таблицы 1. 6.1. графа 5. Транспортно-заготовительные расходы составляют 12% от цены покупки 2. приобретаемого оборудования (см. табл. 6.2, статья 1). Основная заработная плата основных производственных рабочих за 3. выполнение монтажных работ определяется по формуле: ЗП0 = ТꞏСꞏКдꞏКрк (6.1) где Т - трудоемкость выполнения работ (см. табл. 6.1); С - среднечасовая тарифная ставка работ; В данном дипломном проекте С=200руб/час. Кд - коэффициент, учитывающий прочие доплаты, включаемые в основную заработную плату. Кк ~ 1,2; Крк - районный коэффициент, учитывающий доплаты за работу в районах Крайнего Севера, принимаемый в зависимости от местоположения предприятия, где осуществляется строительство агрегата. Крк=1; 4. Дополнительная заработная плата рассчитывается по формуле: ЗПдоп = ЗПоꞏКдоп (6.2) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 52 где Кдоп - норматив дополнительной заработной платы производственных рабочих, принимается 12-13% от статьи 3. Отчисления в фонды пенсионного, медицинского и социального 5. страхования рассчитываются в % от суммы основной и дополнительной заработной платы производственных рабочих согласно действующему законодательству. На 2023 год нормы отчислений равны: В пенсионный фонд – 22%; Фонд социального страхования – 2,9%; Фонд медицинского страхования – 5,1%. 6. Расходы на подготовку и освоение производства включают затраты, связанные с пуском новых предприятий, производств, цехов, агрегатов, а также на подготовку и освоение новых видов продукции и новых технологических процессов. Размер этой статьи составляет 5% от статьи 3. 7. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования включают затраты на амортизацию, содержание и ремонт оборудования, зданий, сооружений и ценного инвентаря производственного назначения. Величина их составляет 105% от статьи 3. 8. Общецеховые и общезаводские расходы составляют 55% от суммы статей 3 и 4. 9. Сумма всех предыдущих статей. 10. Прочие производственные расходы включают затраты на гарантийное обслуживание продукции, стандартизацию, командировочные и др., определяются в размере 2% от суммы статей 1-8 таблицы 6.2. 11. Сумма всех калькуляционных статей составляет величину полной производственной себестоимости капитальных затрат на приобретение и установку электрооборудования на судне, порту и другом объекте энергетики. 12. Плановые накопления (прибыль) принимаются равными 20-30% от производственной себестоимости. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 53 Сумма всех статей выражает стоимость капиталовложений в новое 13. электрооборудование (производственная себестоимость плюс прибыль). 6.2. Расчет эксплуатационных расходов На стадии проектирования объектов электроэнергетики используется методика определения себестоимости по экономическим элементам. Ежегодные расходы включают в себя: С = Ээл + Этс + Эзп + Эа + Эткр (6.3) где Ээл – затраты на электроэнергию (только для объектов, потребляющих её от сетей РАО ЕС или других источников поставки, руб.; Этс – затраты на топливо и смазку рассчитываются для судов, плавкранов, плавдоков, бункировочных станций и т.п., вырабатывающих электроэнергию с помощью вспомогательных дизель-генераторов, валогенераторов, руб.; Эзп–затраты на оплату труда работников, обслуживающих электротехническое оборудование, с отчислениями в пенсионный и страховые фонды, руб.; Эа–затраты на амортизацию, руб.; Эткр–затраты на текущий и капитальный ремонт, руб. Расчет затрат проводится для каждого варианта проектируемого электрооборудования. Затраты на топливо и смазку для судов, для которых проектируется новое электрооборудование по вариантам, рассчитывается по формуле: Этс = Nо ∙ (Цт ∙ bт + Цсм ∙ bсм ) ∙ Тэк ∙ 24 ∙ 10−6 ∙ ԏв (6.4) Этс = 2250 ∙ (75000 ∙ 213 + 130000 ∙ 8) ∙ 210 ∙ 24 ∙ 10−6 ∙ 0,10 = 19295010 руб Где N–мощность устанавливаемого электрооборудования в рассматриваемых вариантах, кВт; tэ – эксплуатационный период работы судна в течение года, сут; Цт, Цсм – отпускная цена топлива и смазки соответственно, тыс. руб./т; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 54 вт, всм – норма расхода топлива и смазки соответственно для главных двигателей (валогенераторы) или вспомогательных дизель-генераторов, от которых осуществляется электропитание устанавливаемого электрооборудования г/кВт∙ч; τв – коэффициент использования валогенератора или дизель-генератора во времени. Амортизационные отчисления Эа рассчитываются по формуле: а ⋅ ΔК Эа = ам 100 13 ⋅ 48333207 Эа = = 6283317 руб 100 (6.5) где аам – норматив амортизационных отчислений, % (приложение 2); Кi – стоимость капиталовложений в электрооборудование по вариантам, тыс. руб. Затраты на текущий и капитальный ремонт электрооборудования судна можно рассчитать по формуле Эткр = (атр + акр ) ∙ ΔК 100 (6.6) (1,20 + 2,50) ∙ 48333207 = 1788329 руб 100 где атр – норматив отчислений на текущий ремонт (атр = 1,2%); Эткр = акр – норматив отчислений на капитальный ремонт (акр = 2,5%); Кi – стоимость капиталовложений в электрооборудование по вариантам, тыс. руб. Результаты расчетов годовых эксплуатационных расходов заносятся в таблицу. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 55 Таблица 6.3. Годовые расходы эксплуатации электрооборудования № Статьи расходов п/п 1 Значение Затраты на топливо и смазку (для объектов, потребляющих электроэнергию от автономных источников), руб. 19295010 2 Затраты на амортизацию, руб. 6283317 3 Затраты на текущий и капитальный ремонт, руб. 1788329 4 Итого затрат, руб. 27366656 6.3. Итоговая оценка технико-экономических показателей Приведенные затраты представляют собой сумму текущих затрат и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности: З = С + Ен·К (6.7) З = 27366656 + 0,20·48333207=37033297 руб С - текущие ежегодные эксплуатационные затраты; К - капитальные вложения; Ен-нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений. Нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности Ен характеризует ту эффективность, с которой должны вкладываться средства в ту или иную отрасль народного хозяйства, он позволяет приводить капитальные вложения К - к величине ежегодных затрат С - Численное значение нормативного коэффициента можно принять в размере 0,15-0,2. Коэффициент сравнительной экономической эффективности дополнительных капитальных вложений, который может быть получен из формулы годовых приведенных затрат: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 56 Ер = Ер = С K (6.8) 27366656 = 0,57 48333207 где: С - текущие ежегодные эксплуатационные затраты; K - капиталовложения (инвестиции). Срок окупаемости капиталовложений оптимального варианта рассчитывается: Ток = Ток = 1 Ер (6.9) 1 = 1,77 0,57 Таблица 6.4. Показатели оценки проектируемого электрооборудования № Наименование показателей п/п Мощность проектируемого 1. электрооборудования, кВт 2. Стоимость капиталовложений, руб. 3. Ежегодные эксплуатационные расходы, руб. 4. Приведенные затраты, руб. Коэффициент сравнительной экономической 5. эффективности дополнительных капиталовложений. 6. Срок окупаемости капитальных вложений Обозначение Значение N 2250 K C 3 48333207 27366656 37033297 Ep 0,57 Tок 1,77 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 57 7. Охрана труда и пожарная безопасность 7.1. Правила безопасности труда при ремонте и обслуживании электрооборудования в судовых условиях В проекте произведена разработка ГЭУ. К техническим средствам, предусматриваемым при зависимости параметров от проектировании объектов, электротока, применяемых относят: в использование электрооборудования соответствующего исполнения, изоляцию, ограждения, блокировки, изолирующие электрические устройства и средства, защитное заземление. Требования к электрической безопасности на судах река-море регламентируются Правилами РРР и Морского Регистра Судоходства. При техническом осмотре, замене и ремонте оборудования необходимо: 1. Производить замену приборов, коммутирующей аппаратуры, предохранителей, обязательно при снятом напряжении. При невозможности снять напряжение допускается замена предохранителей при отключённой нагрузке при помощи изолирующих клещей в диэлектрических перчатках. 2. Отключить напряжение с токоведущих частей электрического оборудования, выделенного для ремонта. 3. Принять меры, препятствующие подаче напряжения, по ГОСТ 12.4.0262015: необходимо вывесить на коммутирующей аппаратуре знак опасности: «Не включать, работают люди!». 4. Проверить отсутствие напряжения на выделенном для работы электрооборудовании. 5. При попадании масла, топлива или воды внутрь электрооборудования, его необходимо отключить и привести в рабочее состояние. 6. Выставить временное ограждение для предохранения работающего персонала от случайного прикосновения к токоведущим частям электрооборудования. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 58 7. Снять в устройстве конденсаторов остаточный заряд изолированной перемычкой, заземлённой на корпус судна. Использование электрифицированных систем должно производиться в соответствии с инструкциями заводов-изготовителей, а так же руководствуясь Правилами Речного Регистра РФ. При подготовке электроагрегата к работе необходимо произвести осмотр соответствующего электрооборудования и убедиться в отсутствии внешних признаков неисправностей. Включать (пускать) неисправный электроагрегат запрещается. Пробный пуск должен осуществляться с ближайшего поста управления. Лишь убедившись в исправной работе, можно переходить на дистанционное и автоматическое управление. Электрооборудование должно быть отключено при появлении дыма или огня, при несчастном случае, требующем немедленной остановки электрооборудования. В проекте предусмотрено защитное заземление металлических корпусов электрооборудования. Все токоведущие части электрооборудования изолированы от случайного соприкосновения оградительными кожухами или заключены в шкафы с выведенными наружу органами управления. Проходы за и перед распределительными щитами покрыты диэлектрическими ковриками. На штатном месте расположен комплект индивидуальных защитных средств. Канализация электрической энергии выполнена судовыми кабелями марок КНР, КНРУ, КНРЭ. Кабельные трассы проложены в стороне от масляных, топливных и паровых трубопроводов на расстояниях, рекомендованных нормами Речного Регистра РФ, то есть 1000мм. В местах, где возможны механические повреждения кабелей, кабельные трассы защищены специальными кожухами и надёжно заземлены. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 59 7.2. Пожарная защита Согласно Правилам Морского Регистра Судоходства и Российского Речного Регистра, судно оборудовано системой тушения пожара и системой пожарной сигнализации. Автоматическая система пожарной сигнализации срабатывает в зависимости от настройки: при достижении температуры воздуха 70°С или не позднее 30 секунд при скачкообразном возрастании температуры на 30°С. Сигнал извещения подаётся в рубку на щит приёмной сигнализации (станции). В машинно-котельном отделении применяется система пенного пожаротушения. Для тушения электроустановок под напряжением и для тушения оборудования не находящегося под напряжением применяются порошковые огнетушители. В противопожарное оборудование входит: - Пожарный насос типа НЦВ - 2 шт. - Воздушно-пенная установка - Бак для пенообразования - 1м3 - Пожарные рукава (1Ом)- 12 шт. + 1шт. (запас) - Пожарные стволы - 12 шт. - Пожарные краны - 12 шт. - Огнетушители порошковые «ОП -10» - 15шт. - Ломы, багры, топоры, ящики с песком, кошма. 7.3. Производственное освещение Освещение на рабочем месте нормируется согласно СП 2.5.3650-20. Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное и дежурное. Аварийное освещение разделяется на освещение безопасности и эвакуационное. Искусственное освещение может быть двух систем – общее (включая аварийное) и комбинированное (общее + местное). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 60 Для общего освещения судовых помещений рекомендуется применять газоразрядные источники света, преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ. Лампы накаливания используются преимущественно: а) для местного освещения, б) для освещения помещений с временным пребыванием людей, в) во взрыво- и пожароопасных помещениях, а также в помещениях с неблагоприятными условиями труда (особо сырые, пыльные, с химически активной средой), г) если применение люминесцентных ламп по техническим причинам невозможно. В машинных производства отделениях ремонтных работ и производственных следует помещениях предусматривать для переносное освещение. Аварийное освещение для эвакуации людей из помещений должно обеспечивать освещенность на палубе и на ступенях трапов не менее 1 лк. Аварийное освещение для продолжения работы в рулевых рубках и МКО должно обеспечивать освещенность не менее 5 лк. Примечание. На судах смешанного (река-море) плавания и больших пассажирских судах должны быть предусмотрены две системы аварийного освещения с питанием от аварийного дизельгенератора и аккумуляторной батареи. Аварийное освещение от дизельгенератора должно обеспечивать: а) на рабочих поверхностях освещенность не менее 25% от уровней, установленных для рабочего освещения этих поверхностей в системе общего освещения лампами накаливания, б) по линии проходов и на ступенях трапов освещенность не ниже 5 лк. Аварийное освещение от аккумуляторной батареи должно обеспечивать по линии проходов и на ступенях трапов освещенность не ниже 1 лк. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 61 При проектировании осветительных установок следует вводить коэффициенты запаса, учитывающие снижение оснащенности в процессе эксплуатации установок (загрязнение светильников, старение ламп и т.д.). Но существуют и некоторые недостатки этих ламп: - сложная схема включения; - снижение надёжности работы при понижении напряжения и температуры; - требуется групповое включение ламп на разные фазы питающей сети для снижения влияния пульсаций светового потока и стробоскопического эффекта. Расчет по световому потоку. Вспомогательные материалы: таблицы коэффициентов использования, таблицы коэффициентов отражения, таблица рекомендуемых уровней освещенности, таблица начального светового потока люминесцентных ламп Расчетные формулы. Определение площади помещения: S=a x b, определение индекса помещения: φ=S/((h1-h2) ∙(a+b)), (7.1) определение нужного количества светильников: N=(E∙S∙100∙Kз)/(U∙n∙Фл), (7.2) где: E - требуемая освещенность горизонтальной плоскости, лк; S - площадь помещения, м.кв.; Кз - коэффициент запаса; U - коэффициент использования осветительной установки; Фл - световой поток одной лампы, лм; n - число ламп в одном светильнике. Определение площади генераротного отсека машинного отделения: S=a ∙b = 10 ∙ 18 = 180 м. кв., 2. Определение индекса помещения: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 62 φ=S/((h1-h2) ∙(a+b)) = 50/((3,5-0,8) ∙ (10+18)) = 0,66 3. Определение коэффициента использования, исходя из значений коэффициентов отражения и индекса поменщения: U = 51 Светильник люминесцентный растровый ARS/R 4x18 4. Определение требуемого количества светильников: N = (300 ∙ 180 ∙ 100 ∙ 1,25) / (51 ∙ 4 ∙ 1150) = 28,7 ~ 29 светильников. 7.4. Мероприятия по снижению вибрации и шума Нормирование параметров вибрации производится согласно ГОСТ 12.1.012-2004 ССБТ «Вибрационная опасность». В соответствии с ГОСТ 26568:2009 «Вибрация. Методы и средства защиты». Меры борьбы с вибрацией ведутся в двух направлениях: 1. снижение вибрации в источнике; 2. снижение параметров вибрации на путях её распространения. В последнем случае результат достигается: - вибродемпфированием (снижение вибрации путём перевода колебательной энергии в другие виды, например, в тепловую; на стадии проектирования достигается выбором материалов, из которых изготавливаются основные детали машин с высоким коэффициентом внутреннего трения); - виброгашением (снижение вибрации путём увеличения массы фундамента на котором стоит машинный агрегат); - виброизоляцией (снижение вибрации за счёт перевода колебательной энергии в энергию упругих элементов, дополнительно вводимых в колебательную систему в виде прокладок или воздушных прослоек). Источниками вибрации и шума в помещении являются: - вентиляторы воздуха; - люминесцентные лампы; - аппаратура. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 63 Нормирование шума производится по ГОСТ Р 12.0.006 2002-ССБТ «Шум. Общие требования безопасности». При длительном воздействии шума на организм человека, происходит: - снижение остроты слуха и зрения; - притупляется внимание; - снижается продуктивность умственного труда. Борьба с шумом ведётся согласно ГОСТ 12.1.029-88 ССБТ «Средства и методы защиты от шума». Меры, применяемые для снижения шума, следующие: - уменьшение шума в самих источниках; - применение звукоизоляции (звукоизолирующие кожухи, экраны, кабины); - использование акустической обработки помещения (за счёт увеличения объёма помещения и использования звукопоглощающего материала). Основные методы по снижению уровня шума в помещении являются: - звукопоглощение (обусловлено переходом колебательной энергии в тепло за счёт трения в звукопоглотителе); - звукоизоляция препятствующих (снижение шума путём создания конструкций распространению шума из одного в другое изолируемое помещение); - рациональное размещение оборудования, имеющего интенсивные источники шума; - выбор рационального режима труда и отдыха. 7.5. Защита от электромагнитных полей Согласно ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля промышленной частоты» устанавливают предельно допустимые уровни напряженности электромагнитного поля частотой 50 Гц в зависимости от времени прибытия в электромагнитное поле. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 64 Электромагнитные излучения, воздействуя на организм человека в дозах, превышающих допустимые, могут явиться причиной профессиональных заболеваний. Оценить опасность облучения можно определив поглощённую телом человека энергию W, Вт. W S эф , Где δ – плотность потока мощности Вт/м; S эф – эффективная поглощающая поверхность тела человека. Допустимые уровни электрических полей воздействия на человека указаны в таблице 7.1 Таблица 7.1. Допустимые уровни электрических полей воздействия на человека Напряжённость электрического Допустимое время работы, ч поля, кВ/м E=5 t=8 E=10 t=2 E=15 t=1.5 Ослабление электромагнитного и теплового изучения на рабочем месте достигается при помощи: увеличения расстояния между источником излучения и рабочим местом; установки отражающих и поглощающих экранов между источником и рабочим местом; применение средств индивидуальной зашиты (перчатки, халаты, защитные очки и т.д.). Примечание. (река-море) плавания На судах смешанного и больших пассажирских судах должны быть предусмотрены две системы аварийного освещения с питанием от аварийного дизельгенератора и аккумуляторной батареи. Вышеуказанные мероприятия позволяют предупредить травматизм, обеспечат санитарно-гигиенические условия, предотвращающие возникновение профессиональных заболеваний обслуживающего персонала, и предотвращает возникновение пожара. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 65 Таблица 7.2. Вредные производственные факторы Вибрация Наим-е Ограничение факторов Уровни звука порядка 85 дБА Корректированные по частоте уровни виброускорения 60 дБ При нахождении в ДГ или Электромаг СП НО в течении 4 ч.: 30Гцнитное 2.5.3650 ЗмГц; 71В/м 3- 30мГц; 42В/м излучение -20 30- З00мГц. Освещенность Микроклимат Разработанные мероприятия Обшивка ДГ и ЭО звукопоглощающим материалом, установка глушителей шума на всасывающих коллекторах, применение индивидуальных средств защиты Установка ЦПУ и дизелей на вибрирующих подвесках, улучшение центровки дизелей, обшивка виброизолирующим материалом Экранирование электрооборудования. СП 2.5.3650-20 МО и аккумуляторное помещение Шум Нормативные документы ГОСТ 12.1.012-2004 Гост 12.1.003-2015, СП 2.5.3650-20 СП 2.5.3650-20 Вредные факторы Минимальная освещенность в МКО не менее 100лк, Для общего освещения показатель ослепленности не судовых помещений более 60, коэффициент рекомендуется применять пульсации освещенности не газоразрядные источники более 10 света, преимущественно Аварийное освещение для люминесцентные лампы типа продолжения работы в МКО ЛБ. должно обеспечивать освещенность не менее 5лк СП 2.5.3650-20 Рабочее место Холодное время года: Для поддержания о температура 20 С, влажность микроклимата помещения 40-60%, Vв>0.5 м/с оборудованы искусственной Теплое время года: приточной и вытяжной Температура 8 оС, влажность вентиляцией согласно 1,5% проекту судна. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 66 Таблица 7.3. Опасные производственные факторы Нормативные документы Наим-е Правила Российского Речного Регистра 2022 Опасные факторы Электробезопасность МО и аккумуляторное помещение Рабочее место Ограничение факторов Принять меры, препятствующие попаданию обслуживающего персонала под электрическое напряжение. Разработанные мероприятия Отключить напряжение с токоведущих частей электрического оборудования, выделенного для ремонта. Вывесить на коммутирующей аппаратуре знак опасности: «Не включать, работают люди!». Проверить отсутствие напряжения на выделенном для работы электрооборудовании. Таблица 7.4. Пожаро- и взрывобезопасность Наименование объекта Машинное помещение Пожаровзрывоопасные факторы Утечка топлива, масла. Наличие промасленной ветоши. Наличие паров при промывочных работах. Нормативные документы Наименовани Ограничение е факторов Российский Речной Регистр, 2022. Правила пожарной безопасности на судах внутреннего водного транспорта. 2018 Разработанные мероприятия 1. Конструктивная пожарная защита: 1.1. Использование не горючих или огнезащитных материалов 1.2. Ограничение распространения пожара Соблюдение (огнезадерживающи нижнего е перегородки) концентрационно 1.3. Создание го предела паров условий для (НКПР) безопасной эвакуации людей (трапы и коридоры соответствующих размеров, см. опасные факторы, трапы – из негорючих материалов). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 67 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате разработки гребной установки судна 301 была произведена установка трех гребных электродвигателей мощностью 450 кВт управляемых от преобразователя частоты Systeme Electric. Для обеспечения электроэнергией был произведен расчет мощности и выбраны пять основных дизель-генераторов мощностью 450 кВт каждый. Помимо подбора оборудования были разработаны схема работы ГЭУ, подобраны кабеля судовой марки КНР необходимого сечения. Был проведён анализ возможных опасных факторов, повышающих опасность работы членов команды судна, вызванных установкой нового оборудование на судно. В результате проведённого анализа были сделаны выводы, что оборудование модернизации ГЭУ судна 301 проекта, при правильной установке, не создаёт дополнительных факторов повышающих опасность работы членов команды на судне. Для снижения риска получения травмы и безопасной работы судна, требуется соблюдение членами экипажа правил техники безопасности. Правила техники безопасности были изложены в данной работе. При расчёте экономической эффективности разработанной гребной электрической установки определился срок окупаемости модернизации и наличие её рентабельности. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 68 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Анфимов А.Ф., Асиновский В.И., Беляк Ю.Л., Видецкий А.Ф., Мамонтов Ю.Н. Технико-эксплуатационные качества судов смешанного плаванья, «Транспорт», 1974 – 272с 2. Чекунов К.А., Судовые электроприводы и электродвижение судов. Л., «судостроение», 1969. – 464 с. 3. Речная справочная книжка корабельного инженера Е.Л. Смирнова. Электронный ресурс. Режим доступа: https://russrivership.ru/page/vvedenie. (Дата обращения: 21.08.23). 4. Айзенштадт Е.Б., Гилерович Ю.М., Горбунов Б.А., Гребные электрические установки: Справочник/ Айзенштадт Е.Б., Гилерович Ю.М., Горбунов Б.А., Сержантов В.В. – 2-е изд., переработано и дополнено – Л.: «судостроение», 1985. – 304 с. 5. Богомолов В.С. Гребные электрические установки: теория и эксплуатация. – Калининград: Калининградское книжное издательство, 1998. – 223 с. 6. Назначение и типы ГЭУ. Электронный ресурс. Режим доступа: https://helpiks.org/3-64742.html. (Дата обращения: 12.09.2023) 7. Самулев В.И., Александров В.В., Гусакова Т.Н. Определение мощности судовой электростанции : учеб. пособие по курс. и дипл. проектир. для студ. оч. и заоч. обуч. : специальность 180404 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» / Н. Новгород : Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. – 92 с. 8. Хватов О.С., Епифанов В.П. Электроснабжение объектов водного транспорта: методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов очного и заочного обучения технических специальностей / Волжская гос. акад. водного транспорта ; Нижний Новгород : Изд-во ФБОУ ВПО "ВГАВТ", 2012. - 36 с. 9. Калачев В.К, Трошин А.С.Эффективность проектных решений : метод. указания к дипл. проектир. для студ. оч. и заоч. обуч. специальности 180404 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 69 «Экс-плуатация судового электрооборудования и средств автоматики» / сост. –– Н. Новгород : Изд-во ФГБОУ ВО «ВГАВТ», 2014. – 28 с. 10. Савинов В.И, Пластинин А.Е. Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и пожарная безопасность : метод, указания к выполнению дипломных проектов для студентов специальностей 190602, 160905, 180403, 180404, 180101 / - Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2009. - 24 с. 11. Сержантов В.В., Спешилов В.С., Гребные электрические установки. Л., «судостроение», 1970. – 204 с. 12. Чаплыгин И.В., Разживин А.Н. Электрооборудование и электродвижение речных судов: учебник для речных училищ и техникумов. – М.: Транспорт, 1979. – 352 с. 13. Михайлов В.А., Рукавишников С.Б, Фрейдзон И.Р., Электродвижение судов и электропривод судовых механизмов. Издание второе. Издательство «судостроение». Ленинград, 1968. 14. Горбунов Б.А., перспективные Савин гребные А.С., Сержантов электрические В.В. Современные и судов. Л.: установки – «судостроение», 1979. – 180 с. 15. Акулов Ю.И., Гребные электрические установки. Москва «Транспорт», 1982. 16. Полонский В.И., Гребные электрические установки. Издательство «Морской транспорт», Ленинград, 1958. 17. Рукавишников С.Б. Автоматизированные гребные электрические установки. – Л.: Судостроение, 1983. – 240 с. 18. Сравнение ГЭУ постоянного, переменного и двойного рода тока. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.electroengineer.ru/2020/08/compare-propulsion-AC-DC-and-dualcurrent-type.html. (Дата обращения: 28.09.23.) 19. Гребные электрические установки: учебное пособие/ А.Б. Дарьенков, Г.М. Мирясов, В.Г. Титов и др. – Н. Новгород: НГТУ, 2014. – 219 с. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41.594.110.001 70
