Источники электроэнергии на судне принято делить на основные (первичные), вторичные, вспомогательные, резервные, стояночные и аварийные. Основными источниками электроэнергии обычно являются электромашинные генераторы, включающие в свой состав первичный двигатель и приводимый им в действие электрогенератор. В качестве вторичных источников электроэнергии используются различного рода преобразователи. Роль аварийных и вспомогательных источников электроэнергии в основном исполняют аккумуляторные батареи (как независимый источник электроэнергии) и аварийные (или резервные) дизельгенераторы.
Первичные двигатели
Первичные двигатели предназначены для выработки механической энергии и передачи ее генератору с целью преобразования этой энергии в электрическую. В качестве первичных двигателей в судовых ЭЭС могут использоваться: дизельные двигатели (дизельгенераторы), паровые турбины (турбогенераторы), газовые турбины (газотурбогенераторы). Вместе с тем, роль первичного двигателя для электрогенератора может исполнять и основной двигатель судна, который передает энергию на валогенератор через главную линию вала и редуктор.
Дизельгенераторы – ДГ являются одними из самых распространенных типов электрогенераторов в судовых ЭЭС. Дизельгенераторы могут использоваться в функции основных, вспомогательных, резервных, стояночных, и даже аварийных источников электроэнергии на судах с дизельной и газотурбинной ЭУ, а также в качестве аварийных и резервных источников электроэнергии на судах с котлотурбинными и ядерными энергетическими установками. Дизельгенераторы обладают сравнительно высокими значениями КПД – до 40 %, высокой степенью автоматизации, быстрым запуском, надежностью и простотой эксплуатации, автономностью работы. К недостаткам дизельгенераторов можно отнести малую перегрузочную способность – около 10 – 15 % от номинальной мощности в течение не более 1 часа. Так как обеспечить равномерную загрузку одного мощного дизельгенератора в различных режимах работы судна практически невозможно, в составе ЭЭС обычно применяют несколько дизельгенераторов меньшей мощности, работающих параллельно. В качестве первичных двигателей дизельгенераторов используют средне- или высокооборотные дизели, имеющие частоту вращения от 500 до 1500 об/мин.
Турбогенераторы – ТГ широко применяются в качестве основного источника электроэнергии на судах с котлотурбинными, турбоэлектрическими и ядерными энергетическими установками. На некоторых типах судов могут устанавливаться стояночные турбогенераторы, потребляющие пар от вспомогательной котельной установки. Судовые турбогенераторы обладают следующими достоинствами: равномерностью вращения, большой быстроходностью, высокой надежностью и долговечностью (ресурс до 100000 часов), повышенной перегрузочной способностью (до 20 % от номинальной мощности) и устойчивой параллельной работой. К недостаткам турбогенераторов можно отнести относительно невысокий КПД турбопривода и достаточно большой промежуток времени для готовности к приему нагрузки. Частоты вращения роторов турбин турбогенераторов составляют обчно от 1500 до 6000 об/мин.
Газотурбогенераторы – ГТГ применяются в основном в качестве основного источника электроэнергии на судах с ГТУ. ГТГ сочетают в себе достоинства паровой турбины и дизельного двигателя: надежность в работе, высокую маневренность при переходе с режима на режим, быстрый запуск (от 30 до 50 с), быстрый прием нагрузки, небольшие массу и габариты. К недостаткам ГТГ можно отнести: сравнительно высокий удельный расход топлива, повышенную шумность, большие размеры воздухоприемных и газовыхлопных трактов, невысокие ресурсные показатели.
Валогенераторы – ВГ представляют собой электрогенераторы, приводимые в действие от главной линии вала судна. Использование на судах в составе ЭЭС валогенераторов представляется целесообразным по нескольким причинам:
- из-за более высоких значений КПД главных двигателей по сравнению со вспомогательными;
- меньшего расхода топлива;
- возможности стабилизации нагрузки двигателей (особенно для главных двигателей некоторых типов судов, работающих с недогрузкой – рыболовных траулеров, буксиров, судов ледового плавания);
- продления ресурса вспомогательных двигателей;
- снижения трудозатрат на обслуживание энергетической установки.
Валогенераторы имеют высокий КПД (всего на 5 – 8 % ниже КПД главного двигателя). Кроме того, валогенераторы могут работать в качестве гребного электродвигателя, работающего на главную или вспомогательную линию вала судна от ГРЩ или вспомогательного дизельгенератора. Основным недостатком валогенераторов является возможность обесточивания судна при внезапной остановке главного двигателя.
Выбор типа первичных двигателей для электрогенераторов в основном зависит от типа главных двигателей судна. Так, на судах с дизельными энергетическими установками в качестве первичных двигателей в основном используют дизельные двигатели. На судах с газотурбинными установками в качестве первичных двигателей могут использоваться как дизельные двигатели, так и газовые турбины. На судах с котлотурбинными и ядерными энергетическими установками в качестве первичных двигателей электрогенераторов используют паровые турбины. Кроме того, дизели часто используют в качестве первичных двигателей резервных или аварийных источников электроэнергии.
Электрогенератор
В качестве судовых электрогенераторов могут использоваться генераторы постоянного тока, синхронные генераторы переменного тока с самовозбуждением и с независимым возбуждением.
В основе работы электромашинных генераторов (как постоянного, так и переменного тока) лежат законы электромагнитной индукции и взаимодействия движущегося проводника с магнитным полем. При пересечении силовых линий магнитного поля в движущемся проводнике индуцируется электродвижущая сила – ЭДС. Под воздействием возникшей ЭДС в замкнутой цепи начинает протекать ток, снимаемый с клемм генератора.
Генераторы должны обладать высокой надежностью в работе, обеспечивать устойчивую параллельную работу при изменениях нагрузки и требуемое качество электроэнергии, иметь высокий КПД, обеспечивать защиту от попадания внутрь капель воды, паров масла и пыли.
Генераторы переменного тока – являются основными источниками электроэнергии для сетей переменного тока. В настоящее время в судовых ЭЭС широко применяются генераторы переменного тока с самовозбуждением серий МСС, ГМС, МСК, и генераторы переменного тока с независимым возбуждением типа ТК. Буквы в обозначении марки генераторов означают: Г – генератор; С – синхронный; М – морской; вторая буква С – с самовозбуждением; К – с кремнийорганической изоляцией.
Синхронные генераторы серии МСК изготавливают с самовентиляцией по замкнутому циклу и с водяными воздухоохладителями. Система самовозбуждения генераторов МСК включает в себя выпрямители и другие устройства, выполняется в виде единого блока, устанавливаемого непосредственно на корпусе генератора. Генераторы серии МСС отличаются от генераторов серии МСК меньшей частотой вращения и наличием небольшого генератора начального подмагничивания. Генераторы серии ГМС имеют брызгозащищенное исполнение с самовентиляцией по разомкнутому циклу.
Основным преимуществом генераторов переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока является меньшие массогабаритные характеристики электрических машин.
Генераторы постоянного тока – являются источниками электроэнергии для сетей постоянного тока, а также применяются в качестве автономных источников питания отдельных электроприводов и устройств, работающих на постоянном токе. В судовых ЭЭС используются генераторы постоянного тока независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
Аккумуляторные батареи
Аккумуляторные батареи являются химическими источниками тока и широко применяются в судовых ЭЭС в качестве резервных и аварийных источников электроэнергии, а также могут применяться в качестве основных источников электроэнергии для отдельных устройств и систем судна. В основе принципа действия аккумуляторов лежат три электрохимических явления: электролитическая диссоциация, электролиз и возникновение потенциала на электроде, помещенном в раствор электролита.
Аккумуляторы являются независимыми автономными источниками питания, вырабатывающими постоянный ток без пульсаций. Но в силу физических и химических особенностей протекающих в них процессов аккумуляторы имеют ряд существенных недостатков: необходимость систематического ухода и контроля за их состоянием, частых подзарядов, контроля состояния и замены электролита; низкий КПД; большие стоимость и массу. В судовых условиях обычно применяются следующие типы аккумуляторов: кислотные, щелочные (железо-никелевые, кадмиево-никелевые) и серебряно-цинковые.
Для получения требуемого напряжения в сети постоянного тока, производится последовательное соединение между собой аккумуляторов в группы. Напряжение группы аккумуляторов равно напряжению одного аккумулятора умноженному на число соединенных последовательно аккумуляторов. Для увеличения емкости, группы аккумуляторов соединяют параллельно в аккумуляторные батареи – АБ. Размещаются аккумуляторные батареи в специальных газо- и водонепроницаемых помещениях – аккумуляторных ямах или выгородках, снабженных обслуживающими системами: вентиляции, охлаждения, механического перемешивания электролита, контроля содержания водорода в воздухе помещения, нейтрализации (дожигания) водорода и др.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
