M. Krcum - EKSPLOATACIJA BRODSKIH ELEKTRICNIH UREDAJA.pdf

mr. sc. Maja Krčum EKSPLOATACIJA BRODSKIH ELEKTRIČNIH STROJEVA I UREĐAJA I I DIO

SADRŽAJ: 1. UVOD 1.1. Elektrotehnička regulativa 1.2. Tehničko tehnološke specifičnosti i karakteristike brodova 2. BROD – STRUJNI KRUG 2.1. Izvori električne energije 2.2. Razvod i razdioba električne energije 2.3. Trošila 2.4. Neke specifičnosti za brodske električne strojeve 3. ELEKTRIČNI STROJEVI 3.1. Osnovna podjela električnih strojeva 3.2. Teorija električnih strojeva 3.3. Princip rada elementarnog električnog stroja 3.4. Osnovni dijelovi električnog stroja 3.5. Zagrijavanje i hlađenje električnih strojeva 3.6. Pogonska stanja električnih strojeva 4. TRANSFORMATORI 5. SINKRONI STROJEVI 6. ASINKRONI STROJ 7. ISTOSMJERNI STROJEVI

1. UVOD Brod – osim ratnog, je ploveći objekt namijenjen za plovidbu morem (duljina mu je jednaka 12 m ili veća i bruto tonaža je jednaka ili veća od 15, a ovlašten je za prijevoz više od 12 putnika). U osnovi brod služi za prijevoz putnika i tereta (putnički, ro-ro putnički brod, teretni, ro-ro teretni, brod za rasuti teret, za rudaču, za cement, za mješoviti teret, kontejnerski, različiti tankeri...) , za ribolov (ribarski brod), za tegljenje (za tegljenje i spašavanje drugih plovećih ili plutajućih objekata), brod za opskrbu, školski brod (građen je i namijenjen je isključivo za praktičnu obuku pomoraca), istraživački brod, tehnički ploveći objekt ( namjena mu je za obavljanje tehničkih radova),te plutajući objekt koji nije namijenjen za plovidbu već je stalno usidren, privezan ili položen na dno (plutajući dok, plutajuća elektrana, skladište, restoran, pontonski most, pontonska marina). On je složeni proizvod odnosno složeno prijevozno sredstvo koje mora biti sposobno i smo sebi dovoljno (na moru) da u dužem vremenskom periodu ima visoki stupanj sigurnosti, pouzdanosti i efikasnosti. Brodar - fizička ili pravna osoba koja je kao držitelj broda nositelj plovidbenog pothvata odnosno vlasnik broda, mora osigurati da je stanje broda i održavanje njegove opreme, takvo da u svakom pogledu brod ostane sposoban za plovidbu bez opasnosti za brod, osobe na brodu, teret i okoliš. Očito je da je brodski sustav složen i on obuhvaća detaljnu analizu i integriranost kako u razvoju (projektiranju), tako i u gradnji te održavanju, različitih područja tehnike(strojarstvo, brodogradnja, elektrika, kemija ...) ekonomije i prava. Osnovni cilj je da se ostvari funkcionalno djelovanje na ili ispod vodene površine. Brodske mehaničke, električne i strukturne izvedbe su raznovrsne i još se dodatno kompliciraju činjenicom da taj brod se u određenim područjima namjerava i iskorištavati. Električna oprema koja se ugrađuje na brodu mora, bilo da se radi o opremanju novogradnje ili opremanju brodova u smislu modernizacije ili rekonstrukcije, udovoljiti određenim tehničkim zahtjevima. Sva električna oprema i uređaji moraju biti proračunati na trajan i siguran rad u određenim klimatskim i mehaničkim uvjetima. Specifičnost električnog sustava broda proizlazi iz uvjeta okoline , propisa klasifikacijskih ustanova, autonomnosti i veličine električnog sustava, utjecajnih faktora te tehničko tehnoloških karakteristika. 1.1. Elektrotehnička regulativa Tehnička regulativa – je skup pisanih pravila koja se smatraju priznatim pravilima tehnike , a izdaju se u obliku propisa ili standarda. Primjena odredbi propisanih tehničkom regulativom je obavezna , a osigurava se državnom prinudom. Za pomorske brodove je to u Hrvatskoj Hrvatski registar brodova koji propisuje zahtjeve u svezi nadzora nad gradnjom koji obuhvaća odobrenje tehničke dokumentacije broda i nadzor gradnje broda kod graditelja. Tehničkom regulativom su na međunarodnom i nacionalnom planu regulirana: - sredstva zajedničkog izražavanja (rječnici, grafički simboli, mjerne jedinice...) - usklađeni pokusi i ispitivanja proizvoda, unificira se označavanje podobnosti i funkcionalnosti; - riješen problem nivoa kvalitete proizvoda i funkcionalnost na osnovi propisanih ispitivanja; - rješava problem veličine i oblika pojedinih proizvoda koji su sastavni dijelovi složenih proizvoda (omogućava se serijska proizvodnja); - rješava problem sigurnosti za ljudske živote kada su oni u opasnosti od tehničkih proizvoda ili uređaja ili od produkata koji ti uređaji proizvode. Dosljednim provođenjem tehničke regulative električna energija postaje bezopasna i njena upotreba postaje svugdje moguća. Propis je dokument čija je primjena obavezna i koji sadrži zakonska , podzakonska ili administrativna pravila a donio ga je i objavio nadležni organ. Tehnički uvjeti su dokument koji određuju karakteristike nekog proizvoda ili usluge (kao npr. nivo kvalitete, eksploatacijske karakteristike, sigurnost i ostale mjere). Može sadržavati terminologiju, simbole ispitivanja i postupke ispitivanja, odredbe o pakiranju i sl. tehnički uvjeti mogu biti u obliku upute. Standard su tehnički uvjeti, ili drugi dokumenti dostupni javnosti, a pripremljeni su u suradnji svih zainteresiranih i na osnovi njihove suštinske suglasnosti ili odobrenja, zasnovani na 1

provjerenim rezultatima znanosti, tehnike i prakse čiji je cilj postizanje optimalne koristi društva, a doneseni su od strane nadležnog na nacionalnom, regionalnom ili međunarodnom nivou. To je neka vrsta dogovora, konvencije između proizvođača i potrošača o određenim karakteristikama proizvoda. Standard ne obuhvaća sve do u detalje već samo minimalne kvalitete koju jedan proizvod treba postići, jer bi time bile zakočena invencija konstruktora koji u skladu s tim standardom stvara odgovarajući proizvod. Standardizacija je sistemska djelatnost na izradi i afirmaciji standarda. Ciljevi standardizacije : - sigurnost pri upotrebi predmeta, zaštita zdravlja i života; - usklađivanje razvoja nacionalne privrede s razvojem u svijetu, koristeći međunarodnu suradnju na standardizaciji (priključnica, žarulje...) - racionalno smanjenje asortimana proizvodnje (presjeci vodiča, vijci...); - zaštita interesa potrošača – potrošač mora biti siguran da kupuje proizvod određene kvalitete ( otpor vodiča, el. motori, gorivo ...). Tehničke smjernice ili preporuke su zahtjevi odnosno podaci čija primjena nije obvezna već se preporučuje. Nakon dužeg provjeravanja određene tehničke smjernice mogu postati i tehnički propisi. Znakovi kvalitete i sigurnosti – razvojem tehnike ukazala se potreba uvođenja niza znakova za kvalitetu sigurnost kao na slici 1.1. a)

b)

Slika 1.1 . Znakovi kvalitete i sigurnosti Tipizacija je izvod za standard i on je strogo definiran. Npr. poduzeće za distribuciju električne energije ima svoje interesne standarde koji su stroži od službenih, jer službeni zahtjeva minimum kvalitete i ne definiraju do detalja proizvod ili izradu. Tipizacijom se postiže veća pogonska spremnost, manje teškoće u održavanju, znatno suženje asortimana materijala, lakša nabava i manja angažiranost kapitala i smanjenje troškova. Međunarodna tehnička regulativa – podrazumijeva međunarodne organizacije koje se bave izdavanjem preporuka kao osnova za usklađivanje regulative pojedinih država. Tako npr. postoji ISO (International Standard Organization) – međunarodna organizacija za standardizaciju, IEC (International Electrotehnical Commision) međunarodna organizacija za područje elektrotehnike , IMO (International Maritime Organization) – međunarodna pomorska organizacija 1.1.1. Elektrotehnički grafički simboli Pogonska sredstva, njihovi dijelovi na nacrtima i shemama prikazuju se grafičkim simbolima, koji se određuju tehničkom regulativom. Na slikama 1.2. i 1.3. su prikazane mogućnosti označavanja simbolima i nekoliko grafičkih simbola.

2

Slika 1.2. Prikazivanje simbolima

Slika 1.3. Neki grafički simboli

Električne sheme, planovi, dijagrami i tablice Električne sheme, planovi, dijagrami i tablice su sastavni dijelovi tehničko-projektne

Slika 1.4. Klasifikacija električnih shema u skladu s DIN 40719/73 3

dokumentacije. Električna shema je crtež gdje se električnim simbolima, pojednostavljenim konstrukcijskim crtežima i slikama prikazuje odgovarajući električni aparat ili sklop, a također se i električnom shemom prikazuje i način djelovanja, tok struje ili spajanje vodova (slika 1.4.). Pregledna shema je pojednostavljeno prikazivanje najvažnijih dijelova postrojenja ili jednog dijela postrojenja s funkcionalnim međuvezama zbog jednostavnijeg razumijevanja kao što je prikazano na slici 1.5.

Slika 1.5. Pregledna shema pogona asinkronog motora

Slika 1.6. Strujna shema upravljanja asinkronim motorom

Strujna shema – prikazuje tok struje sa svim kontaktima i detaljima. Redoslijed kontakata je isključivo prema električnoj funkcionalnosti, a položaj pojedinih aparata i kontakata na shemi je neovisan o njihovom stvarnom položaju na samom uređaju tj. aparatu (stezaljke i spojna mjesta se mogu ucrtati na strujnoj shemi). Shema djelovanja – prikazuje sve aparate i spojeve u svim pojedinostima i za razliku od strujne sheme ovdje se svaki aparat crta sa svim svojim kontaktima i spojevima tako da se može točno znati način rada tog aparata. Stezaljke i spojna mjesta mogu se crtati na shemama djelovanja (slika 1.7.)

Slika 1.7. Shema djelovanja pogona asinkronog motora 4

Upravo poznavajući pregledne nacrte, strujne sheme i sheme djelovanja može se doznati kako određeni sklop ili aparat radi. Shema spajanja aparata – prikazuje vodove i priključna mjesta unutar jednog aparata ili grupe aparata i predstavlja završni plan pri spajanju raznih uređaja. Priključni plan – je raspored rednih stezaljki s naznačenim spojevima prema aparatima na jednoj strani i naznačenim vodovima na drugoj strani. Plan prostorne raspodjele – se dijeli na: - plan mreže – pokazuje položaj vodova, izlazne točke (transformatorske stanice i električne centrale), te spojne točke s pripadajućim uređajima za određeno područje; - plan instalacija – pokazuje položaj vodova za rasvjetu, energiju i uređaje slabe struje (telefonija, radio i TV uređaji, signalizacija, vatrodojava ...). Ovaj plan se ucrtava u građevinske nacrte; - plan vodova – pokazuje položaj vodova unutar jednog aparata, između dva aparata ili između grupe aparata. Priključna mjesta, redne stezaljke, razdjelnici, aparati i grupe aparata mogu se pojednostavljeno prikazati.

Slika 1. 8. Tropolna shema pogona asinkronog motora i ožičenje 5

Projektno tehnička dokumentacija Projekt je zapisani rad kojim su određeni svi potrebni podaci za izvedbu i održavanje. Cilj i zadatak projektna je : - tehnički (izvedba , održavanje troškovi); - ekonomski (troškovi); - organizacijski (nabava materijala, organizacijska struktura); - regulacijski (potrebne suglasnosti). Projekt može biti idejni, investicijski, glavni i izvedbeni. Projekt se sastoji od tekstualnog dijela ( osnovni podaci investitora, projektni zadatak, regulacijski dio, tehnički opis, proračun, troškovnik, specifikacija materijala) te nacrta. 1. 2.

TEHNIČK0 TEHN0L0ŠKE SPECIFIČN0STI I KARAKTERISTIKE PL0VNIH 0BJEKATA

Svaki brod je opremljen električnim sustavima koji su po mnogo čemu specifični u odnosu na velike kopnene sustave. Ta specifičnost električnih sustava brodova proizlazi iz: - uvjeta okoline, - propisa klasifikacionih ustanova, - autonomnosti i veličine električnih sustava, - utjecajnih faktora, - tehničko tehnoloških karakteristika.. 1.2.1. UVJETI OKOLINE Električni uređaj koji je izrađen za upotrebu na kopnu u pravilu se ne može bez nekih modifikacija koristiti na brodu jer na brodu izložen je s obzirom na klimatske prilike i tehnološke zahtjeve znatno težim pogonskim uvjetima nego što je slučaj kod kopnenih uređaja. Klimatske prilike, naročito na palubi, znatno se mijenjaju ovisno o godišnjem dobu i geografskom području. Morski zrak je vlažan i sadrži soli. Relativna vlažnost na palubi iznosi od 70 do 95%, u unutrašnjosti broda od 40 do 70%, a sadržaj soli u 1 m3 zraka može iznositi i do 5 mg soli. Iz vlažnog zraka se sol taloži na metalne dijelove broda i oni zbog elektrolitskog djelovanja korodiraju, vlažni slani talog na izolatorima izaziva pojavu puzajućih struja čime se stvaraju uvjeti za električni proboj. Zrak u blizini dizelmotora sadrži 3-20 mg/m 3 ulja, koje zajedno s čađom i metalnom prašinom prevlači električki aktivne dijelove i dovodi do pojave puzajućih struja i preskoka izolacije na električnim strojevima i uređajima , ako oni nisu posebno izvedeni. Ljuljanje i posrtanje broda na valovima te neizbježne vibracije izazvane radom pogonskih strojeva traže posebna mehanička rješenja i učvršćenja. Električni uređaji moraju besprijekorno raditi bez obzira na vibracije i kad je objekt nagnut uzdužno l0o, poprečno do 15o i pri bočnom ljuljanju do 22,5o. Za ratne jedinice postavljaju se daleko stroži zahtjevi i posebni uvjeti za rad uređaja pod specijalnim uvjetima. Od nekih uređaja zahtijeva se pouzdan rad i pod vodom. Radi povećanja sigurnosti i zaštite života posade i putnika; doneseni su internacionalni i nacionalni propisi o kvaliteti i izvedbi električnih uređaja plovnih objekata. U skladu s Međunarodnom konvencijom o sigurnosti života na moru, pojedine zemlje su donijele dopunske propise koji se u principu svode na to da svi električni uređaji i instalacije plovnih objekata moraju biti izvedeni tako da i u najtežim uvjetima pouzdano rade i da ne predstavljaju nikakvu opasnost za posadu i putnike. Uvjeti okoline zbog svoje specifičnosti utjecat će radi toga na projektiranje uređaja, izbor materijala, tehnologiju izrade, nadzor nad izgradnjom, ispitivanje, puštanje u pogon i eksploataciju. Da je neki uređaj građen za uvjete okoline i da se može ugraditi na plovni objekt, odnosno eksploatirati, potvrđuje dobiveni atest od odgovarajuće klasifikacione ustanove. 6

1.2.2. KLASIFIKACIJSKE USTANOVE Svaka klasifikacijska ustanova , među koje spada i Hrvatski registar brodova, je orijentirana da se bavi Tablica 1.1. Godina osnivanj a 1760 1828 1861 1864 1867 1896 1899 1946 1950

Popis nekih klasifikacijcskih ustanova Naziv i kratica Lloyd′s register of Shipping, L.R. Bureau Veritas, B.V. Registro Italiano, R.I. Det Norske Veritas, N.V. Germanischer Lloyd, G.L. American Bureau of Shipping, A.B.S. Nippon Kaiji KYOKAI Polski REJESTR Statkow Hrvatski registar brodova

Sjedište London Paris Roma Oslo Hamburg New York Tokio Gdansk Split

klasifikacijom brodova (utvrđivanje sposobnosti za plovidbu) i statutarnom certifikacijom u ime Tablica nacionalnih Pomorskih uprava, a glavni joj je zadatak promicanje sigurnosti ljudskih života i imovine na moru, te zaštita pomorskog okoliša. U sklopu tih djelatnosti radi na izdavanju standarda (Tehnička pravila za projektiranje, gradnju i redovne preglede brodova u službi), pregledu brodova za vrijeme gradnje/preinake, kao i redovne preglede brodova u službi u skladu s Tehničkim pravilima te radi na izdavanju dokumenata na temelju obavljenih pregleda. Klasifikacijska društva su nastala kao specijalizirane ustanove za procjenu kvalitete brodske konstrukcije i sposobnost broda da sigurno obavlja prijevoz te na osnovu svjedodžbe koju izdaje klasifikacijska ustanova osiguravajuće društvo preuzima osiguranje broda i njegovog tereta. Vršenjem Tehničkog nadzora, koji se vrši na postojeći brod ili brod u gradnji, odgovarajuća klasifikacijska ustanova utvrđuje udovoljava li brod odgovarajućim zahtjevima Tehničkih pravila za određenu namjenu i za određeno područje plovidbe (slika 1.) U svojim pravilima klasifikacijska ustanova određuje koja tehnička dokumentacija podliježe odobrenju, a koja se donosi na uvid . U svojim pravilima klasifikacijska ustanova određuje koji strojevi, uređaji oprema, sredstva i njihovi pojedini dijelovi, te materijali podliježu nadzoru za vrijeme proizvodnje i tvorničkog ispitivanja. O pozitivnom nalazu po izvršenom nadzoru, odnosno ispitivanju, klasifikacijske ustanove izdaju odgovarajuću dokumentaciju (atest). Pod klasifikacijom plovnog objekta smatra se nadzor za vrijeme projektiranja i izvedbe, nadzor nad pogonskom ispravnošću, nad načinom gradnje i područjem u kojem je plovidba predviđena. Poznatija klasifikacijska društva su: Lloyd's Register of Shipping - Velika Britanija, American Bureau of Shipping - USA, Bureau Veritas - Francuska, Germanischer Lloyd - SR Njemačka, Det Norske Veritas - Norveška, Registro Italiano Navale - Italija, Registar SSSR, Nippon Kaiji Kyokai - Japan, Hrvatski registar brodova. Propisi klasifikacijskih društava su dosta slični, ali se ipak razlikuju u pojedinim područjima. Neka društva se međusobno priznaju. Svaki plovni objekt podliježe propisima klasifikacijske ustanove, međutim, često su objekti građeni po propisima i po nekoliko registara (lakša promjena zastava). Uz propise klasifikacijskih društava često se pri gradnji postavljaju i zahtjevi da oprema ili pojedini njeni dijelovi odgovaraju preporukama, pravilima i standardima pojedinih nacionalnih ili internacionalnih udruženja ili komiteta, npr. internacionalni IEC, britanski IEE, MOT, BOT, USA: AIEE, Coast Guard, SR Njemačka: VDE, FNS, Norveški: NSC, Hrvatski HN itd. Da bi registar mogao izdati atest o ispravnosti i sposobnosti za plovidbu, potrebno je poštivati zahtjeve koji se postavljaju kroz opseg nadzora i tehničke dokumentacije. Tako npr. Hrvatski registar brodova zahtijeva nadzor nad tehničkom dokumentacijom električne opreme, u što spada: 7

1. Opći plan elektroenergtetskih postrojenja, oprema za proizvodnju i raspodjelu električne energije. 2. Tehnički podaci generatora – tip pogonskog stroja, nazivna snaga (kVA ili kW), početna reaktancija i prijelazna reaktancija (ako je ukupna snaga svih generatora veća od 500 kW), a za generatore koji su pogonjeni vodom vratila, potrebno je priložiti nacrte koji prikazuju konstrukciju i razmještaj opreme.

8

Slika 1.9. Propisani i međusobno povezane djelatnosti Tehničkog nadzora (prema Hrvatskom registru brodova) 9

3. Tehnički podaci pretvarača – tip pretvarača, nazivna snaga (kVA), napon (primarni/sekundarni). 4. Razmještaj opreme u prostorima visokog rizika od eksplozije, uz detalje o instaliranim uređajima ( tip opreme, oznaka protueksplozivne zaštite, ustanova koja je izdala potvrdu, broj potvrde). 5. Proračun kratkog spoja (ako je ukupna snaga svih generatora veća od 500 kW – simetrična komponenta struje kratkog spoja, vršna vrijednost struje kratkog spoja. 6. Bilanca električne energije – na moru, manevar, u radu, u nužnosti. 7. Jednopolne sheme svih razdjelnika uz slijeće informacije – smještaj trošila, opterećenje (kW ili A), tip kabela i presjek vodiča, proizvođač/tip/veličina osigurača i sklopnih uređaja, za automatske prekidače, uklopna/prekidna snaga i postavne vrijednosti releja. 8. Za glavnu sklopnu ploču, sklopnu ploču za nužnost i za velike motorno upravljačke centre snage veće od 100 kW – nacrt koji prikazuje razmještaj opreme i prednji izgled, sheme djelovanja za sve upravljačke krugove uz podatke o tipu kabela i presjecima vodiča te podaci o proizvođaču/tipu/veličini za svu opremu, nacrt sabirnica, uz podatke o presjeku i izolacijskom materijalu nosača sabirnica, podaci o proizvođaču/tipu/veličini osigurača i sklopnih aparata uz naznaku uklopne/prekidne snage svih automatskih prekidača, karakteristike okidanja osigurača i automatskih prekidača glede uloge u selektivnoj zaštiti sustava, proračun mehaničkog naprezanja sabirnica pri kratkom spoju ako je struja kratkog spoja veća od 50 kA (r.m.s). 9. Sheme djelovanja za uputnike bitnih motora, uputnike poprečnih brodskih vijaka, statičke pretvarače bitne i važne opreme. 10.Dokumentacija za sklopna postrojenja rashladne opreme. 11. Opći plan glavne kabelske staze 12. Razmještaj rasvjete 13. Razmještaj rasvjete za nužnost, razmještaj dodatne rasvjete za nužnost i njena svojstva. 14. Dokumentacija porivnog stroja (kod električnog poriva) 15. Opći plan sustava napajanja za navigacijska i signalna svjetla 16. Sustav unutarnjih brodskih veza i signalizacija 17. Električne sheme i razmještaj sredstava dojave požara i alarmiranja 18. Planovi polaganja kabela/lista 19. Za putničke brodove potrebno je na općem planu broda naznačiti glavne vertikalne požarne zone, te polažaj opreme i kabelskih staza za rasvjetu u nužnosti, sustav detekcije, alarma i fiksnog sustava za gašenje požara, sustav javnog priopćavanja (razglas), opći alarm, vodonepropusna vrata. 20. Plan uzemljenja samo za drvene bnrodove. 21. Razmještaj i tehnički podaci akumulatorskih baterija U tehničku dokumentaciju koja se odnosi na automatizaciju treba: 1. Popis sustava i komponenti automatike s naznakom proizvođača i tipa uređaja. 2. Popis mjernih i alarmnih točaka 3. Smještajni nacrt sustava i komponeneti automatike. 4. Nacrti upravljačkih pultova sa smještajem uređaja 5. Temeljne blok sheme za slijedeće sustave upravljanja, uzbunjivanja i sigurnosti za: - porivne i bitne pomoćne strojeve, - kaljužni balastni sustav, - separatore goriva i maziva, - brodsku elektranu, - kotlove i spaljivače otpadaka, - sustav stlačenog zraka - pumpni sustav tereta ( tankeri koji prevoze ulje/prerađivanje/sirovo ulje) - pumpe tereta i balasta u opasnim područjima - vijke sa zakretnim krilima i poprečne brodske vijke - generatore inertnog plina - kormilarski uređaj - sustav pretakanja i pohranjivanja goriva - ostale automatizirane sustave ( dizala, sustav za isparivanje i destilaciju...) 10

6. Detaljna shema cjelokupnog sustava uzbunjivanja koja povezuje glavnu upravljačku stanicu, pomoćne upravljačke stanice, zapovjednički most i nastambe 7. Dijagram toka za procesorske sustave, uključujući blok shemu konfiguracije i specifikaciju zahtjeva 8. Program ispitivanja (metode ispitivanja i pripada oprema) U tehničku dokumentaciju koja se odnosi na radioopremu treba: 1. Popis radio opreme (proizvođač i tip) 2. Smještaj radioopreme u radiokabini i na zapovjedničkom mostu (kormilarnici i navigacijskoj kabini). 3. Podaci o izvoru električne enrgije za pogon radioopreme u nužnosti (uključujući i njegov smještaj) 4. Smještaj svih antena na brodu 5. Blok shema povezivanja radioopreme na brodu i njezina uzemljenja 6. Plan kabela radioopreme Nadalje, nadzoru na brodu podliježu slijedeći uređaji i sistemi: - električni uređaj propulzije - izvori električne energije - transformatori i pretvarači električne energije - električni pogoni - osnovna rasvjeta prostorija bitnih službi, izlaznih putova i rasvjeta za slučaj nužde - signalna i navigacijska svjetla - električni telegraf strojarnice - službene telefonske veze - signalizacija opće uzbune - signalizacija požara - signalizacija vodonepropusnih i protupožarnih vrata - električni uređaj u zonama opasnosti - kabelska mreža - naprave za uzemljenje trupa broda - tankera - gromobranski uređaj. Električni uređaj za domaćinstvo, osobnu upotrebu i tehnološke svrhe podliježu nadzoru samo u dijelu: - djelovanja rada tog uređaja na električnu energiju brodske elektrane - izbor presjeka kabela - sredstva zaštite, izolacije i uzemljenja. Prilikom izrade pojedinih elemenata električnog sistema, nadzoru podliježu slijedeći dijelovi: - električni agregati - električni strojevi i transformatori - sklopne ploče i pultovi - aparatura za zaštitu, regulaciju, upravljanje, signalizaciju, mjerenje - statički pretvarači snage - akumulatori - kabeli i vodovi - ostalo: svjetiljke, grijači, kuhala itd. Da su pojedini električni uređaji izrađeni prema zahtjevima propisa klasifikacijskih ustanova, provjerava se pojedinačnim ispitivanjem, dok su za serijske proizvode dovoljna tipska ispitivanja na osnovu kojeg pojedini proizvod dobiva tipski atest. Za pojedinačno izrađene elemente potrebna su primopredajna ispitivanja u prisustvu predstavnika klasifikacijske ustanove. Električni uređaj broda podliježe propisima registra i u eksploataciji. Obavezni su na brodu propisani rezervni dijelovi, kao i periodični pregledi i testiranja. 11

1.2.3. AUTONOMNIOST I VELIČINA ELEKTRIČNIH SISTEMA Pod autonomnošću električnog sistema (proizvodnja, razvod i potrošnja) podrazumijeva se njegova sposobnost za rad u uvjetima nezavisnosti od drugih sistema, a pod veličinom, prostorna rasprostranjenost i ukupnost instaliranih snaga. Zbog smještaja na malom prostoru i zbog relativno malih instaliranih snaga, ovi sistemi spadaju u tzv. "male sisteme" pa u odnosu na veliki sistem imaju drugačije odnose između induktivnih i radnih otpora, a i ukupni otpori su im relativno veći. Posljedice ovoga odražavaju se u malim električnim vremenskim konstantama, utjecajem na električne prijelazne pojave i na veću promjenljivost parametara električne energije (napon i frekvencija). Autonomnost električnog sistema zahtijeva veću pažnju kod izrade bilance električne energije. Neadekvatno dimenzioniranje izvora električne energije može imati odlučujući utjecaj na mogućnost ispunjenja tehničko tehnoloških parametar plovnog objekta, ali i velikog utjecaja na investicione i troškove korištenja, posebno kroz cijenu proizvedene električne energije, odnosno potrošnje goriva po proizvedenom kWh. Autonomnost zahtijeva veću pouzdanost električnih uređaja i veću raspoloživost električnog sistema. Pouzdanost se ovdje vezuje uz kvaliteta uređaja, a raspoloživost uz zalihost uređaja i organizaciju otklanjanja kvarova. "Mali sistem" zahtijeva veliku pažnju kod izbora veličine pojedinog izvora u odnosu na veličinu potrošača, kao izvođenje računa o međusobnim utjecajima, kada su u sistemu prisutni nelinearni elementi (asinkroni motori, tiristorski ispravljači). 1.2. 4. UTJECAJNI FAKTORI Na osnivanje električnog sistema plovnog objekta veliki utjecaj imaju tehničko tehnološke specifičnosti. Iz takvih specifičnosti proizlaze tzv. utjecajni faktori koji predstavljaju ulazne i izlazne veličine električnog sistema bez kojih je najčešće nemoguće doći do kvalitetnog sistema. Ulazni zahtjevi

SUSTAV

Izlazni zahtjevi

Slika 1.11. Osnovna struktura Zbog tehnološke specifičnosti svakog pojedinog objekta, nužno je definirati pripadajuće utjecajne faktore, odnosno zakonitosti kojih se treba pridržavati kod osnivanja. Pod osnivanjem se podrazumijeva osmišljavanje, projektiranje, nabavka opreme, izgradnja, ispitivanje i puštanje u pogon. U navedenim fazama osnivanja učestvuju različiti profili kadrova i radnih organizacija i ako se želi doći do električnog sistema "visoke valjanosti" (el. sistem visoke valjanosti omogućuje kvalitetno odvijanje tehnološkog procesa uz minimalne ukupne troškove izgradnje i eksploatacije, uz minimalno zaokupljanje pažnje tehničkog osoblja), potrebna je obavezna tehnološka orijentacija kadrova i radnih organizacija. Utjecajni faktori ulaznog karaktera mogu biti: - tehničke karakteristike objekta - trošila električne energije - općenito - karakteristike specifičnih električnih motornih pogona (snaga, momentne i regulacijske karakteristike, potrebna pouzdanost i sigurnost, tehnologija rada) - potrebna snaga za pojedine režime rada. Utjecajni faktori izlaznog karaktera mogu biti: - kvaliteta parametara električne energije 12

- kontinuitet napajanja električnom energijom - pouzdanost i raspoloživost električnog sistema - eksploatacijski zahtjevi.

Slika 1.12. Dijagram toka projektiranja električnog sistema Projektiranje električnog sistema jedna je od važnijih faza osnivanja. Za realizaciju faze projektiranja neophodno je krenuti od navedenih utjecajnih faktora. 1.2. 5. TEHNIČKE KARAKTERISTIKE BRODA

Da bi se već na početku dobila određena slika karakterističnih brodova , ali sa stanovišta osnovnih karakteristika električnih sistema, dati su u nastavku podaci sa kojima se mogu sagledati karakteristični električni sistemi brodova. Trgovački brodovi Trgovački brodovi bez obzira na vrstu i namjenu pogone se direktno dizelmotorima ili rjeđe turbinama, a imaju električne sisteme koji služe za napajanje pomoćnih uređaja pogonskih strojeva i brodske službe, sisaljke tereta, klimatizacije i ventilacije, palubnih uređaja, domaćinskih uređaja, rasvjete i ostalog. Veličina električne potrošnje, a time i instalirana snaga električnih centrala, varira u zavisnosti od veličine i vrste broda. Može se uzeti da su instalirane snage električnih centrala: 13

brod za opći teret brod za rasuti teret tankeri brod za hlađeni teret brod za prijevoz spremnika trajekti

1500 - 3000 kW 1300 - 2500 kW 16oo - 7ooo kW 5700 kW 9400 kW 8400 kW

Karakteristični potrošači na trgovačkim brodovima u zavisnosti od vrste broda jesu: sidrena i pritezna vitla, dizalice, kormilarski uređaji, pumpe, ventilatori, kompresori i bočni propeleri. Izvori električne energije su u pravilu dizelgeneratori, ali se radi ekonomičnosti proizvodnje upotrebljavaju i turbogeneratori i osovinski generatori. Izvori za napajanje u nuždi su dizelgeneratori i akumulatorske baterije. Potreba za električnom energijom različita je u različitim režimima rada. Radi ekonomičnosti rada izvori električne energije prilagođuju se potrošnji, pa se električne centrale sastoje iz tri ili više jedinica s visokim stupnjem automatizacije rada. Zbog mogućnosti priključka na kopno, opremljeni su s priključkom za spoj na kopno. Današnji brodovi grade se s električnim sistemima na izmjeničnu struju frekvencije 50 ili 60 Hz i uz njih vezani naponi 380 ili 440 V. Ovo su naponi izvora i motornih pogona, dok se za rasvjetu najčešće koristi 220 V ili 110 V preko transformatora za rasvjetu. Glavno mjesto razdiobe električne energije je glavna sklopna ploča na koju su priključeni glavni izvori električne energije i pojedini odvodi. Osim glavne sklopne ploče, razvodu energije služe pomoćne ploče, ploča za nuždu, ploča grupnih uputnika i razdjelnici. Svi električni elementi međusobno su povezani kabelskim vodovima položenim u kabelskim trasama.

Slika 1.13. Shematski prikaz električnog sistema broda Objekti za bušenje Objekti za bušenje nafte i plina iz podmorja sa zahtjevima za plovnošću, pokretnošću, čvrstoćom, stabilnošću, protupožarnom i protueksplozivnom zaštitom, sa raznim uređajima za vez, sidrenje, održavanje pozicije, opreme za izradu i obradu bušotina, sa stambenim i domaćinskim prostorijama predstavljaju tehničke plovne objekte specijalne namjene sa ili bez vlastite propulzije. Kao plovni objekti zbog toga potpadaju pod pravila gradnje pomorskih klasifikacionih ustanova, a kao tehnološko-namjenski objekti (bušenje) i pod druge institucije nadležne za odgovarajuća područja i djelatnosti (npr. rudarski inspektorat). Razlikuju se tri osnovna tipa istraživačkih objekata za bušenje, kao što su samopodizna na nogarima, poluuronjiva i brod.

14

Slika 1.14. Tipični električni sistemi a) samopodizne b) poluuronjive platforme Zajedničko ovim objektima jesu tehnološki pogoni i funkcije: stola za bušenje (RT), isplačne crpke (MP), dizalice tornja (DW) i često propulzije (P). Karakteristični objekti jesu brod za bušenje, poluuronjiva platforma i samopodizna platforma. Brod za bušenje ima sva obilježja broda na kojem je smještena oprema za bušenje. Većina ovakvih objekata koristi vlastitu propulziju za pokretanje s jednog mjesta na drugo. Poziciju na mjestu za bušenje održavaju pomoću sistema sidara ili pomoću dinamičkog pozicioniranja gdje se vanjski utjecaji valova, morskih struja i vjetra poništavaju automatski upravljanim potiskom većeg broja propelera. Brod pozicioniran sistemom sidara koristi se u morima dubine do 180 m, a dinamičkim pozicioniranjem do dubine od 1800 m. Predviđeni su za dubine bušenja do 9000 m. Ovi su se objekti počeli graditi početkom 70-tih godina, a grade se i danas. Često imaju vrlo snažne električne sisteme za napajanje pogona propulzije, bočnih propelera, opreme za bušenje, agregata za cementiranje, sidrenih vitala, dizalica, pomoćnih pogona i ostalih brodskih službi. Snaga električnih centrala brodova bez dinamičkog pozicioniranja i električne propulzije kreće se oko 3,6 MW, bez dinamičkog pozicioniranja, ali s električnom propulzijom 5,8 MW, a brodova sa dinamičkim pozicioniranjem oko 15 MW.(3) Ove posljednje karakterizira i zahtjev velike pouzdanosti snabdijevanja električnom energijom i zastupljenost visokog stupnja automatizacije. Kad kod ovakvih relativno velikih električnih sistema snaga kratkog spoja prelazi mogućnosti opreme ili kad upotreba velikih pojedinačnih motora čini upotrebu niskog napona neekonomičnom, prelazi se na primjenu visokog napona. Primjena visokog napona na ovakvim plovnim objektima daje električnom sistemu nove karakteristike i specifičnosti (konfiguracija, način uzemljenja neutralne točke, aspekt opasnosti). Konfiguracija, struktura električnih sistema i visina upotrebljenog napona razlikuje se od objekta do objekta. Međutim, sva rješenja idu za tim da povećaju raspoloživost sistema u svim uvjetima rada, pa čak i u kvarnim stanjima. Poluuronjiva platforma upotrebljava se za bušenje u dubinama mora do 180 m sa pozicioniranjem pomoću sistema sidara, a do dubine od 1800 m s opremom za dinamičko pozicioniranje. Koriste se za bušenje do dubine od 9000 m. Poluuronjiva platforma je čisto plovni tehnički objekt. Plovnost joj omogućavaju dva ili tri plovka u obliku papuča ili duguljastih cilindara. U plovidbi plovci plutaju na površini mora, dok u radnoj poziciji, na položaju za bušenje, platforma uranja puneći plovke morskom vodom pomoću 15

balastnog sustava. Radna pozivija je u položaju gdje je donja paluba platforme uzdignuta iznad površine mora, tako da je van dohvata i najvećih valova koji dostižu visinu od 10 do 27 m. Ove platforme mogu mijenjati položaj pomoću drugih plovnih objekata, ali češće sa vlastitim uređajem za propulziju. Tipične platforme ove vrste imaju propulzioni uređaj za premještanje i sidrene uređaje za održavanje pozicije. Propulzioni uređaji su pogonjeni

Slika 1.15.

Električni sistem broda s dinamičkim pozicioniranjem

istosmjernim motorima koji se napajaju iz tiristorskih usmjerivača. Budući da istovremeno nikada ne rade tehnološki pogoni za bušenje i propulzija, to se isti tiristorski usmjerivači koriste za obje funkcije. Snaga dizelelektrične centrale prilagođena je osnovnim režimima rada - bušenju i propulziji. Za napajanje u nuždi ova, kao i ostale platforme, imaju ugrađen dizelgenerator za nuždu i akumulatorske baterije za uređaje koji zahtijevaju besprekidno napajanje. Snaga električne centrale poluuronjive platforme s električnom propulzijom kreće se oko 6,3 MW, a bez električne propulzije oko 4,6 MW.(9) Samopodizna platforma na nogarima objedinjuje ekonomičnost, dobre tehničke karakteristike i fleksibilnost rada u srednjim dubinama mora od 20-110 m. Koristi se za dubine bušenja do 9000 m. Ovaj tip platforme često stvara dileme oko uvrštenja u plovne objekte. Za vrijeme premještanja s jedne pozicije na drugu, objekt plovi po moru. U tu svrhu platforma ima nepropusni ponton sposoban i opremljen za plovidbu. U principu, ovi objekti rijetko imaju vlastiti pogon, pa se premještaju tegljenjem drugim namjenskim objektima. Na poziciji za bušenje platforma se izdiže iznad morske površine za 10-20 m, van domašaja morskih valova, pomoću specijalnih nogara i sistema za podizanje. U ovoj poziciji platforma ne predstavlja plovni objekt pa otuda i dileme o uvrštenju. Samopodizna platforma se često koristi, osim za izradu istražnih bušotina, i za izradu eksploatacionih, ali su tada opremljene sa pomičnim bušaćim tornjem. Snaga električne centrale na ovim objektima kreću se najčešće oko 4,8 NW.(6) Ovoj platformi posebno obilježje daju nogari i uređaji za podizanje. U zavisnosti od broja nogara (tri ili četiri), platforma ima i toliko podiznih uređaja. Pogon podiznih uređaja je električni ili hidraulični. Električni pogon može biti istosmjernim ili asinkronim motorima. Zauzetu poziciju nogara ili platforme osiguravaju elektromagnetske kočnice. Servisni brodovi Za odvijanje radova istraživanja podmorja uz objekte za bušenje potrebne su i razne plovne jedinice za tegljenje, snabdijevanje prijevoz ljudstva, spašavanje i prijenos teških tereta. Ovakvi objekti uz dobre plovne osobine moraju imati robusne i pouzdane električne sisteme. Brodovi za snabdijevanje često su opremljeni s električnom propulzijom. Ona omogućava dobre manevarske sposobnosti uz velike mogućnosti primjene dinamičkog pozicioniranja za održavanje pozicije 16

prilikom servisiranja, te drugačiju konstrukciju i razmještaj opreme na brodu, pa se to kod ovakvih jedinica često koristi. Električni pogon propelera ostvaruje se na nekoliko načina od kojih ćemo spomenuti istosmjerne motore s napajanjem iz tiristorskih usmjerivača, asinkrone motore s napajanjem direktno iz izmjenične mreže i asinkrone motore s napajanjem iz statičkih pretvarača frekvencije.

Slika 1.16. Električna propulzija s tiristorskim pogonom

Slika 1.17. Električna propulzija s asinkronim motorom

Kada pogonski motori nemaju mogućnosti regulacije brzine, potisna sila na brod mijenja se pomoću propelera sa zakretnim krilima. Objektima za spašavanje osnovna je namjena spašavanje i transport ljudstva, gašenje požara, pružanje servisnih usluga, prenošenje teških tereta i sl. Po konstrukciji vrlo su slični poluuronjivim platformama, uli su većih dimenzija. Opremljeni su s jakim električnim sistemima gdje električne centrale dostižu snagu od 20 MW. Glavni potrošači električne energije su motori propulzije 5očnih propelera i protupožarnih crpki. Prioritetni zahtjev električnog sistema jeste sigurno snabdijevanje električnom energijom u svim situacijama. U tu svrhu objekt može imati dvije električne centrale fizički smještene na različitim mjestima. Isto tako uređaji i komponente od kojih ovisi rad sistema su udvojeni. Nastali kvarovi selektivno se isključuju, a kod preopterećenja sistemi automatizacije brinu se o rasterećenju djelujući na smanjenje snage propelera ili se isključuju manje važni potrošači. Brodovi dizalice iz ove grupe objekata, specifični su po vrlo čestoj električnoj propulziji gdje se fiksni propeleri pogone istosmjernim motorima s napajanjem iz tiristorskih usmjerivača. Zajednička električna centrala služi i za napajanje motora dizalice koji ne rade istovremeno sa propulzijom. Specifičnost električnog sistema jeste u tome što mora biti prilagođen povratnom utjecaju tiristorskih usmjerivača.

Slika 1.18. Tipični električni sistem objekta s dinamičkim pozicioniranjem 17

Na prikazanoj principnoj shemi odvojena je opća potrošnja od glavnog napajanja preko motornog pretvarača i na taj način izbjegnuto nepovoljno povratno djelovanje tiristora. (Slika 1.19.)

Slika 1.19. Principni prikaz električnog sistema broda dizalice 12000 kN Plovni dokovi Plovni dokovi pripadaju plovnim objektima, ali često imaju fiksno određeno mjesto za rad u brodogradilištima. Namijenjeni su za dizanje i spuštanje brodova i omogućavanje vršenja radova na brodu. Kao plovni objekti, njihovi električni sistemi spadaju pod nadležnost brodskih klasifikacionih društava. Električni sistemi plovnih dokova spadaju u "male" i autonomne sisteme kad nisu povezani na vanjski električni sistem, ali kad su povezani na njega gube te specifičnosti jer tada postaju dio električnog sistema brodogradilišta. Osnovna namjena električnog sistema plovnog doka jeste omogućavanje dizanja i spuštanja doka, napajanje brodova u doku i omogućavanje vršenja radova na brodu. Karakteristični potrošači električne energije na doku su sisaljke za izbacivanje vode iz pontona doka, vitla za privlačenje brodova, dizalice na doku, priključak broda i priključci za napajanje tzv. električnih instalacija za gradnju broda. Svaki plovni dok mora biti opremljen s uređajima koji će brodu osigurati potrebnu električnu energiju u dovoljnim količinama. Zbog toga da doku postoje slijedeći priključci: 110 i 220 V istosmjerne struje, 380 V, 50 Hz; 440 V, 60 Hz i 440 V, 50 Hz. Napajanje doka sa kopna vrši se preko fleksibilnih spojeva s naponima 380 V ili češće sa 10 kV. Ovaj se napon u pravilu transformira preko transformatora na 380 V kao osnovni napon doka. Za napajanje u nuždi dokovi su opremljeni automatskim dizelgeneratorima koji najčešće napajaju ventile doka i električnu rasvjetu. Međutim, plovni dokovi su često snabdjeveni dizelgeneratorima za normalno napajanje potrošnje plovnog doka. Ovi dizelgeneratori mogu imati i dodatne namjene kao što su:

Slika 1.16. Principni prikaz električnog sistema plovnog doka u brodogradilištu Kraljevica 18

ispomoć u napajanju brodogradilišta u redukcijama, rezanje vršnih opterećenja i nezavisno otočno napajanje dijela brodogradilišta. Kod ovakvih slučajeva mora biti moguć paralelni rad dizelgeneratora sa jakim sistemom ali i druge međusobne prilagodbe dva sistema. Ratni brodovi Svaki se suvremeni ratni brod projektira i izrađuje prema taktičkim i tehničkim zahtjevima, a predstavlja u relativno malom volumenu vrlo kompliciranu i kompleksnu opremu raznih grana tehnike. Za borbenu sposobnost broda važna su tri zahtjeva: što kraće vrijeme otkrivanja protivnika, izvanredno brza reakcija i maksimalna točnost utvrđivanja pozicije protivnika. Ti se zahtjevi mogu optimalno ostvariti ako se integriraju u jedan ukupni sistem za izvršenje tih zadataka, pripadni elektronički uređaji povezani s upravljanjem oružjem i vođenjem pogonskog kompleksa uz sisteme za obradu podataka koje automatski obraduju procese i pripremaju podatke za donošenje odluka. S obzirom da se iz električnog sistema napajaju elektronički uređaji, (na nekim tipovima brodova dostižu i 60% ukupne cijene broda),kao i mnogobrojna trošila ostalih službi, slijedi da o električnim postrojenjima i električnim uređajima zavise vitalne funkcije svakog ratnog broda. To nalaže da se kompletni električni sistem, na kojeg se postavljaju daleko strožiji zahtjevi nego na trgovačkim brodovima, izvede tako da bude jednostavan, pouzdan, siguran, fleksibilan, otporan na šokove itd. i da se u svim režimima, pa i kod nekih oštećenja broda, osigura kontinuitet pogona Električni uređaj ratnog broda izrađuje se prema posebnim propisima ratne mornarice. Propisi klasifikacionih društava za električne uređaje obavezni su samo onda kada njihovu primjenu traži propis za gradnju ratnih brodova. Specifičnosti električnih sistema ratnih brodova proizlaze iz izloženosti raznim teškim okolnostima okoline, pa zato svi elementi sistema moraju izdržati uz vibracije, temperature, morsku klimu, naginjanje broda, dopuštenu emisiju šumova, kao kod ostalih plovnih objekata, još i šokove zbog eksplozije. Da bi se osiguralo snabdijevanje električnom energijom u različitim stanjima broda, tj. da se postigne čim veća žilavost električnog sustava, često se izvode po dvije električne centrale na odvojenim mjestima s dodatnim kabelskim vezama. Primjer jednog takvog električnog sistema prikazan je na slici 1.11.

Slika 1.17. Principna shema električnog sistema fregate sa radijalnom mrežom

19

2. BROD – ELEKTRIČNI STRUJNI KRUG Svaki brod može se promatrati kao zatvoreni električni strujni krug koji ima svoj izvor i trošila te elemente koji ih spajaju, uključuju ili isključuju, reguliraju, zaštićuju i njima upravljaju. Na slici 2.1. predočena je shema takva strujnog kruga.

( A ) izvor električne energije ( B ) razvod i razdioba (elementi koji spajaju, uključuju ili isključuju, reguliraju, zaštićuju i upravljaju trošilima i izvorima) ( C ) električna trošila

Slika 2.1. Pojednostavnjena shema brodskoga električnog strujnog kruga

Brodski elektrodistribucijski sustav osigurava siguran prijenos električne energije od izvora do trošila. Danas se uglavnom u brodskim elektroenergetskim sustavima koristi izmjenična struja koja u odnosu na istosmjernu nudi veću raspoloživu snagu, veći omjer proizvodnje, raspodjele i iskoristivosti el. energije. 2. 1. IZVORI ELEKTRIČNE ENERGIJE

Izvori električne energije na brodu (A) dijele se na: - osnovne izvore i izvore u slučaju nužde, a mogu biti: generatori, akumulatorske baterije, solarne ćelije, električni pretvarači i priključak na kopno. Osnovni izvor električne energije na brodu čine generatori: - istosmjerni generatori, a njih su zamijenili izmjenični generatori, odnosno trofazni samouzbudni sinkroni generatori. Danas se u brodove najčešće ugrađuju trofazni samouzbudni kompaundirani beskontaktni generatori, kojima se postiže zadovoljavajuća brzina regulacije napona i frekvencije i stabilnost rada neovisno o mogućim naglim velikim opterećenjima trošila na brodskoj mreži. Ovisno o vrsti pogona brodskoga generatora, razlikuju se: - dizelski, osovinski i turbinski generatori, a sva proizvodnja električne energije na brodu obavlja se na jednomu mjestu u električnim centralama ili s pomoću pojedinačnih agregata. Budući da mnoga brodska trošila izmjenične struje moraju raditi pri različitim naponima, odnosno pri naponima koji su (obično) manji od napona izvora (generatora), to za takve potrebe služe jednofazni ili trofazni brodski energetski transformatori. Osim njih u brodove se ugrađuju i mjerni transformatori, kojima je, preko mjernih instrumenata, moguće neizravno mjeriti jake struje {strujni mjerni transformatori) ili visoke napone (naponski mjerni transformatori). 20

Manja količina energije na brodu dobiva se iz akumulatorskih baterija (olovni ili kiselinski akumulatori i čelični ili alkalijski akumulatori). Oni služe kao izvor istosmjerne električne energije za pričuvu, za napajanje pokretača motora s unutarnjim izgaranjem, kao izvori u spoju s osovinskim generatorom, na manjim jedinicama za napajanje brodske mreže za vrijeme mirovanja u luci, za neprekidno napajanje elektroničkih uređaja za potrebe navigacije, komunikacije, automatike, alarma i slično. Istosmjerni napon može se na brodu osigurali i preko ispravljača (usmjerivača}. To su obično silicijski ispravljači u jednofaznom ili trofaznom Graetzovu spoju, odnosno danas najčešće upotrebljavani tiristorski ispravljači u mosnom spoju. Priključak na kopno brodu služi kad se nalazi u brodogradilištu ili u luci (kad ne rade generatori). Pri tome dovod s kopna može zadovoljiti samo minimalne potrebe na brodu (obično polovicu snage pomoćnog, odnosno lučkoga generatora). Dimenzioniranje izvora električne energije na brodu određuje se tzv. bilancom električne energije. Potrebna instalirana snaga izvora električne energije izračunava se uzimajući u obzir različita brodska pogonska stanja (plovidbu, manevar, uplovljavanje, isplovljavanje, ukrcaj i iskrcaj tereta, mirovanje u luci i slično), zone plovidbe (hladne i tople), dnevnu plovidbu (dan i noć), te uzimajući u obzir tehničke i iskustvene podatke (priključnu snagu trošila, faktor opterećenja, faktor istodobnosti, pad napona, odnosno gubitke u mreži i slično).

Slika 2.2. Napajanje u slučaju nužde Sustav napajanja u nuždi se koristi kada se isključi glavno napajanje i tada se opskrba el. energijom vrši za određenu grupu trošila kao npr. rasvjetu (u nuždi), glavne komunikacije, vodonepropusna vrata te druga trošila kojima se osigurava sigurna evakuacija s broda. Prema slici se vidi da se svi sustavi napajaju s glavnog izvora , a u slučaju opasnosti,

21

samo se uređaji u nuždi napajaju sa izvora el. energije u slučaju nužde. Ovaj izvor napajanja mora biti spreman za rad u bilo kojem trenutku i ovaj izvor zahtjeva temeljito održavanje. 2.2. RAZVOD I RAZDIOBA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Razvod i razdiobu električne energije na brodu (B) omogućuju vodovi i kabeli, kabelska mreža s priključnim priborom te sklopni uređaji i aparati. Sva proizvedena električna energija na brodu od izvora do trošila prenosi se vodovima i kabelima, odnosno kabelskom mrežom i priključnim priborom. Sustav razdiobe električne energije može biti za istosmjernu, jednofaznu i trofaznu struju. Razdioba za istosmjernu struju: - dvovodni izolirani (s dva izolirana voda na koje je priključeno trošilo); - jednovodni (s uporabom brodskog trupa kao povratnog vodiča - samo za napon do 50 V); - dvovodni sustav, kod kojeg se plus i minus vodič polažu izolirano, dok se minus pol generatora spaja s brodskim trupom; - trovodni (koji ima dva izolirana voda (krajnja), a umjesto trećega (srednjeg) služi brodski trup);

G G

P

P

BRODSKI TRUP ( POVRATNI VOD)

a)

b)

P

G

c) Slika 2.3. a) Dvovodni; b) jednovodni sustav; c) dvovodni sustav – pol generator je spojen na brodski trup U svjetskoj brodogradnji za sve vrste brodova prevladava dvopolni sustav s izoliranim plus i minus vodičem ( slika 2.3.a). Na tankerima se dopušta samo takvo polaganje mreže, jer međunarodni propisi zabranjuju svaku pogonsku vezu između dijelova pod naponom i trupa 22

broda. Za putničke brodove zabranjena je primjena jednopolne mreže, tj. ne smije se upotrebljavati brodski trup kao povratni vod (slika 2.3.b) tako da se primjenjuje isključivo samo dvopolni sustav kao na slici 2.4. Naime, za jednopolni sustav svaki spoj plus vodiča s brodskim trupom predstavlja direktni spoj , što izaziva djelovanje električne zaštite i isključenje dijela mreže iz pogona. Kod jednopolnog sustava postoji poteškoća oko održavanja dobre izolacije, teže se poništavaju radio smetnje i teža je kontrola izolacije za vrijeme pogona. GLAVNI VOD

GLAVNI VOD

G

P

G

SREDNJI VOD

P

G

P

SREDNJI VOD

P

G

GLAVNI VOD

P

P

GLAVNI VOD

a) b) Slika.2.4. a)Trovodni sustav, kod kojega se glavni vodiči i srednji vodič polažu izolirano; b) Trovodni sustav, kod kojega se glavni vodiči (plus i minus) i srednji vodič polažu izolirano, dok se srednja točka generatora spaja s trupom broda GLAVNI VOD

G

P

BRODSKI TRUP

P

SREDNJI VOD

G

P

GLAVNI VOD

Slika 2.5. Trovodni sustav, kod kojega se glavni vodiči (plus i minus) polažu izolirano, dok brodski trup služi kao srednji vodič. 23

Tropolni sustavi istosmjerne brodske mreže danas se rijetko upotrebljavaju zbog opasnosti povećanja napona u slučaju prekida srednjeg vodiča. Tropolni sustavi danas se još upotrebljavaju samo pri propulziji, gdje sustav kao na slici 2.5. ima prednosti. Razdioba za jednofaznu izmjeničnu struju: -jednovodni (s uporabom brodskog trupa kao povratnog vodiča - samo za napon do 50 V); - dvovodni izolirani (s dva izolirana voda na koje je priključeno trošilo); Razdioba za trofaznu izmjeničnu struju: - trovodni izolirani (s tri izolirane faze)slika 2.7.; - trovodni s uzemljenim zvjezdištem (s tri izolirane faze) slika 2.8.; - trovodni izolirani (s tri izolirane faze i nul-vodom) slika 2.9.; - trovodni s uzemljenim nul-vodom (s tri izolirane faze i nul-vodom koji je priključen na zvjezdište izvora)slika 2.10.; Na brodovima za opću potrošnju najčešće se primjenjuje trovodni trofazni sustav napajanja s izoliranom neutralnom točkom, napon sustava je 380V (440V), frekvencije 50Hz (60Hz), dok je napajanje manjih trošila (snage do 4kW) ograničeno do 250V. Prvi put visoki naponi (iznad 1000V) korišteni su u drugom svjetskom ratu, a iz iskustva s prenaponima neutralna točka je bila uzemljena preko otpornika. Trenutno brodovi s električnom propulzijom koriste napone od 10kV odnosno 11kV frekvencije 50Hz (60Hz). Pri izboru napona mora se voditi računa o : veličini snage kratkog spoja, veličini generatora i trošila, dimenzijama strojeva i sklopnih postrojenja, prikladnost opreme i brodskih sustava, iskustvo.

Slika 2.6. Trovodni izolirani sustav

Slika 2.7. Trovodni sustav s uzemljenim zvjezdištem

24

Slika 2.8. Trovodni sustav s nul-točkom

Slika 2.9. Trovodni sustav s uzemljenom nul-točkom

Slika 2.10. Četverovodni sustav gdje brodski trup služi kao nul - vod

25

Korištenje napona od 380V prikladno je stoga jer nisu potrebne posebne mjere predostrožnosti za zaštitu od visokog napona, kod mreže s uzemljenom neutralnom točkom moguće je postići bez transformacije napona za napajanje malih trošila i rasvjete, nije potreban transformator za priključak s kopna. U slučaju da se ovaj napon primjeni u mrežama čija snaga prelazi 8 MVA javit će se velike struje i padovi napona što traži prevelike presjeke kablova. Ako ovaj napon ne zadovoljava ili je ekonomski neopravdan prijelaz na napon od 660V prikladan je stoga jer motori napona 380V frekvencije 50Hz mogu se koristiti u spoju zvijezda, primjenjuju se standardni kabeli, nisu potrebne mjere predostrožnosti zbog visokog napona, struja kratkog spoja smanjuje se za tri puta, naprezanje među sabirnicama glavne sklopne ploče u kratkom spoju smanjuje se tri puta. Pri analiziranju sustava raspodjele mora se imati u vidu način uzemljenja neutralne točke. Izolirani / nuzemljeni sustav je potpuno izoliran od zemlje tj. trupa broda. Uzemljeni sustav ima neutralnu točku napajanja spojenu prema zemlji. Obzirom na uzemljenje razlikuju se: a) Neuzemljeni sustav – izolirani sustav SPOJ S KOPNOM

G2

G1

G3

G4

380V

EG

M M OTORNI KONTROLNI CENTRI

M

380V SKLOPNA PLO^ A ZA NU@NOST

TRO[ ILA

GLA VNA SKLOPNA PLO^ A 380V

MOTORNI KONTROLNI CENTRI

=

220V

SKLOPNA PLO^ A ZA NU@NOST

220V

GLAVNA SK LOPNA PLO^ A 220V

Slika. 2.11. Neuzemljeni sustav Prednosti neuzemljenog sustava su : - mali rizik od požara, uz dobro izvedenu izolaciju; - minimalni rizik od bljeska luka; - minimalna cijena zaštite od zemnog spoja; - mogućnost kontinuiteta pogona, uz postojanje zemnog spoja jedne faze. Nedostaci neuzemljenih sustava su : - struja je mala da bi mogli osigurači proraditi ili prekidači, pa se mjesto kvara mora ručno tražiti; - brza lokacija kvara je vrlo važna zbog integriteta cijelog sustava; - neophodni su transformatori i dvopolni osigurači za napajanje dvožilnih krugova; - veoma je važno brzo otklanjanje zemnog spoja, jer zemni spoj iduće faze predstavlja međufazni kratki spoj; - potrebni su transformatori za stupanj niži napon (380 / 220V); 26

- neophodni su osigurači u obje žile kod jednofaznog napona. Neuzemljeni sustav prikladan je za prostore visokog rizika kada se traži neprekidnost napajanja nedupliciranih važnih trošila iako se primjenjuje u svim prostorima. b) Uzemljeni sustav G3

G2

G1

G4

690V

TRO[ ILA 690V

TRO[ ILA 690V

400/230V

P

P

O

400/230V

O

T

R T

400/230V

O R

[

A

400/230V

A

[

^

I

I

Slika 2.12. Uzemljeni sustav Uzemljeni sustavi (primjenjuju se na kopnu) imaju prednost nad ostalim sustavima stoga jer se oprema rađena za kopno može bez ikakvih problema ugraditi na brod ako zadovoljava opće zahtjeve na brodsku instalaciju. Prednosti ovog sustava su automatski rad prekostrujne zaštite u slučaju kratkog spoja, trenutačna lokacija i izolacija kvara, nema potrebe za ugradnjom posebnih releja zemnog spoja, nisu potrebni dvopolni osigurači u jednofaznom sustavu, nisu potrebni transformatori za stupanj niži napon (380/220V), nije potrebna posebna oprema i dodatna zaštita od zemnog spoja jer osigurač redovito izolira kvar u slučaju zemnog spoja. Međutim, kako ima prednosti tako ima i mane: povećan rizik od požara, povećan rizik od luka, mogući problemi sa uzemljenjem generatora, u slučaju kvara prisilni rad je nemoguć, u petlji uzemljenja impendancija mora biti pravilno ispitana, ako se samo osigurači primjene kao zaštita velikih trošila postoji opasnost od požara. c) Uzemljenje preko impendancije i ohmskog otpora Uzemljenje neutralne točke preko impendancije ima prednosti: releji zemnog spoja mogu osigurati automatsku izolaciju mjesta kratkog spoja, struja kratkog spoja je još uvijek dovoljno mala da neće napraviti velike štete, rizik od luka nije još uvijek značajan. Dok su pak mane ovakvog sustava oprema za zaštitu od zemnog spoja je skupa, postoji opasnost od požara u slučaju kvara opreme za zaštitu od zemnog spoja, u slučaju zemnog spoja nije moguć prisilan rad. Primjena ovakvog sustava na tankerima ima ograničenje jer struja zemnog spoja mora biti u određenim granicama. Neutralna točka koja je uzemljena preko visokoohmskog otpora, mora imati otpor koji je jednak ili je nešto manji od 1/3 kapacitivne reaktancije između faze i zemlje. Kod niskoohmskih sustava, bira se otpor koji ograničava struju zemnog spoja na vrijednost između 20% i 100% nominalne struje generatora. Ukoliko je značajan kriterij 27

nalaženje kvara tada se koristi ovakav sustav, dok kruti sustav uzemljenja zbog nedostataka koji su navedeni nije prihvatljiv. Na kraju se mora spomenuti da izbor uzemljenja neutralne točke zahtijeva analizu siguronosnih i funkcionalnih parametara za svaku pojedinu primjenu. Za razvod električne energije na tankerima mogu se primijeniti samo sustavi: - dvovodni izolirani za istosmjernu struju, - dvovodni izolirani za jednofaznu izmjeničnu struju, - trovodni izolirani za trofaznu izmjeničnu struju. Brodske električne mreže obzirom na opskrbu električnom energijom trošila mogu se podijeliti: Zrakasta ili radijalna brodska mreža Zrakasta ili radijalna mreža najčešće se primjenjuje, međutim ona ne može osigurati veći kontinuitet napajanja. Eventualni kvar na glavnoj razvodnoj ploči izbacuje dio postrojenja iz pogona. Ako glavna razvodna ploča nije izvedena s podijeljenim jednostrukim sabirnicama, kvar može izbaciti iz pogona čitavo postrojenje. Zamkasta zatvorena brodska mreža Svi brodski generatori napajaju električnom energijom osnovnu zatvorenu mrežnu zamku na kojoj se nalaze na obje strane broda, te na pramčanoj i krmenoj strani primarni razdjelnici s kojih se odvode strujni krugovi na sekundarne razdjelnike, odatle na potrošače. Osnovna mrežna zamka može biti razdijeljena sekcijskim prekidačima na sekcije (dijelove) koje napajaju pojedini generatori, čime se postiže elastičnija podjela električne energije. Pošto zrakaste mreže ne mogu osigurati veći kontinuitet napajanja u slučaju potrebe mogu se povezati i zamkasto. Dobre strane zamkaste zatvorene mreže su : lakša montaža, ušteda materijala i mogućnost napajanja potrošača sa dvije strane. Nedostatak je u otežanom centralnom upravljanju napajanja pojedinačnih ili grupnih potrošača. Generator za nu` du

G1

Primarni razdjelnici

Primarni razdjelnici

Glavna razvodna plo~a

G2

G3

G4

G5

Generatori

Slika 2.13. Zrakasta ili radijalna brodska mreža

28

Generator za nu` du

G1

Sekundarni razdjelnici

Primarni razdjelnik

(

Sekundarni razdjelnici

(

(

Primarni razdjelnik

(

Glavna razvodna plo~a

G2

G3

G4

G5

Generatori

Slika 2.14. Zamkasta zatvorena mreža Zrakasta mreža s međuvezama primarnih razdjelnika Ovakve mreže predstavljaju optimalno rješenje brodske mreže. Primarni razdjelnici napajaju se direktno s glavne razvodne ploče, a predviđene su (zbog sigurnosti) veze između primarnih razdjelnika. Troškovi instalacije su minimalno povećani, dok je sigurnost pogona ista kao i kod zamkastih. Generator za nu`du

G1

Sekundarni razdjelnici

Sekundarni razdjelnici

Primarni razdjelnik

(

Primarni razdjelnik

(

Glavna razvodna plo~a

G2

G3

G4

G5

Generatori

Slika 2.15. Zrakasta mreža s međuvezama primarnih razdjelnika

29

Na slici 2.12. prikazana je relativno jednostavna razvodna ploča, kojoj su sva glavna trošila, a to su motori i razni grijači spojeni izravno. Glavni problem kod svih mreža, a pogotovo kod brodskih je trenutak uključenja asinkronih motora. Poznat je problem kada se stavlja u pogon, asinkroni motor povuče 7 do 8 puta veću nazivnu struju, te dolazi do velikih padova napona, a u ekstremnim slučajevima do uništavanja mreže (upućivanje u pogon više motora odjednom). Središnje mjesto električnog sustava na brodu jest glavna sklopna ploča, jer se na nju dovodi električna energija iz generatora (ili transformatora) i odvodi prema trošilima izravno ili preko ostalih sklopnih uređaja kao što su: pomoćne sklopne ploče, uputnici, razdjelnici, upravljački ormari i pultovi. Ti sklopni uređaji osim različitih konstrukcijskih dijelova sadrže sklopne aparate, tj. sklopke, pokretače, programatore, osigurače i regulacijske elemente (okidače i releje), električne mjerne uređaje (mjerne transformatore i instrumente) te električnu i svjetlosnu /zvučnu signalizaciju. Glavne sklopne ploče se dijele: - visokonaponske (3, 3.3, 6, 6.6, 10, 11 [kV] ) - niskonaponske (380 ,440, 600, 660 [V] ) Postoje elektroenergetski sustavi sa više naponskih nivoa pa oni imaju više glavnih sklopnih ploča, ali se ne razvijaju distributivne mreže sa više naponskih nivoa. Da bi se smanjile dimenzije glavne sklopne ploče, dimenzije priključnih kablova, povećava preglednost i selektivnost sustava koriste se ostale sklopne ploče koje se priključuju na glavnu sklopnu ploču: sklopna ploča za napajanje u nuždi, sklopna ploča grupnih uputnika, sklopna ploča pojedinačnih uputnika, razdjelnici snage, razdjelnici rasvjete i pultevi. 2.3. TROŠILA

Trošila električne energije na brodu (C ) mogu se podijeliti na elektromotorni pogon, toplinska trošila, električnu rasvjetu te na navigacijske i komunikacijske uređaje. Na trgovačkim brodovima srednjih veličina potrošnja elek. energije je: - 80% potrošnje električne energije otpada na elektromotorne pogone pomoćnih strojeva (sidrena i pritezna vitla, dizalice, pumpe, kompresore i slično) i na pogon gospodarskih uređaja; - 15% za grijanje i hlađenje te toplinska trošila troši ; - 3 - 4% za rasvjetu (opću ili normalnu, pomoćnu, pojačanu i dekorativnu rasvjetu i rasvjetu za nuždu) ; - 1 - 2% za napajanje navigacijskih i komunikacijskih uređaja. Na putničkim brodovima računa se prosječno za elektromotorni pogon oko 75% električne energije, za grijanje i hlađenje 12%, za rasvjetu 11% i 2% za sva ostala trošila. Na temelju ovako jednostavnog prikaza elemenata zatvorenoga električnog strujnog kruga može se pretpostaviti s kojim se problemima valja suočiti pri uporabi električne energije na brodu. 2.4. NEKE SPECIFIČNOSTI ZA BRODSKE ELEKTRIČNE STROJEVE

Brodski električni strojevi, odnosno generatori i motori uglavnom se u pogledu pogonskih karakteristika ne razlikuju od strojeva za sličnu primjenu na kopnu. Zbog toga se načelna teoretska razmatranja električnih strojeva mogu primijeniti i u ovom slučaju. Svi brodski električni strojevi priključeni su uglavnom izravno na strojeve koje pogone ili koji ih pogone. Uporaba remena je rjeđa, i to samo za osovinske generatore i kompresore. Manji i 30

srednji agregati na zajedničkom su postolju, a veći imaju posebne temelje koji su dio brodske konstrukcije. Kućišta električnih strojeva uglavnom su zavarena, od lijevanog su željeza i robusne izvedbe, ali su dopušteni i motori s kućištima od lakih metala otpornih na morsku vodu i pogodno zaštićeni od korozije, tako da se postiže ušteda na težini i do 25%. Na najnižim mjestima moraju imati otvore za istjecanje kondenzata, a protiv rošenja često se ugrađuju električni grijači koji se automatski uključuju kad strojevi prestanu raditi. Ljuljanje, posrtanje broda na valovima i neizbježive vibracije zahtijevaju posebna mehanička rješenja i učvršćenja. Zbog brodskih vibracija ležaji stroja koji miruje dodatno su opterećeni, pa su ponekad posebno mehanički blokirani. Radi manjeg dodatnog opterećivanja ležaja vodoravni strojevi moraju se smjestiti paralelno s brodskom uzdužnom osi. Generatori su obično jednoležajni radi manjih dimenzija čitavog agregata i manjih torzijskih napona osovine generatora koji nastaju zbog nejednolikog hoda dizelskog motora. Elektromotori mogu imati vodoravnu ili okomitu osovinu. Okomiti elektromotori najčešće se rabe za pogon: pumpa, kompresora, kormilarskih uređaja, sidrenog vitla itd. Brodski palubni strojevi. zbog specifičnih uvjeta rada i montaže na palubi, imaju posebne karakteristike, oblike i zaštitu. Prostorije u kojima su smješteni električni strojevi moraju ,sc dobru ventilirati da se u njima ne bi skupljali zapaljivi plinovi, a sami strojevi moraju biti dovoljno udaljeni od zapaljivih materijala (u okomitom smjeru 120 cm, a u vodoravnom 30 cm). Svaki električni stroj također mora imati mehaničku zaštitu od prodiranja ulja i uljnih para, a dijelovi pod naponom moraju sc osigurati od slučajnog dodira ako je istosmjerni napon veći od 120 V ili efektivna vrijednost faznog napona veća od 50 V. Svi strojevi moraju sc solidno uzemljiti (spojiti na glavnu brodsku masu). Brzina vrtnje električnih strojeva ovisi o njihovoj namjeni. Danas se sve vise rabe strojevi s većim brzinama vrtnje jer imaju male dimenzije i malu težinu. Najčešće su u upotrebi oni koji imaju pri 50 Hz sinkrone brzine vrtnje 1000 i 1500 min-1 ili pri 60 Hz 1200 i 1800 min-1. Svi dijelovi električnih strojeva koji vode struju moraju biti od bakra ili od mesinga, a svi ostali dijelovi od nehrđajućeg materijala ili prevučeni zaštitom od korozije (galvanskim metalnim slojem ili lakom). Radi uklanjanja radio-smetnja moraju se strojevi koji iskre blokirati na odgovarajući način. Radi povećanja sigurnosti broda i zaštite života posade i putnika doneseni su posebni propisi za gradnju i izvedbu električnih strojeva. U skladu s Međunarodnom konvencijom o sigurnosti života na moru i Hrvatska je donijela svoje propise (HRB -Hrvatski registar brodova) kojima se propisuje kako električni strojevi mogu i u najtežim uvjetima plovidbe pouzdano raditi.

31

REZERVA

REZERVA 4x1,5

CRPKA ZA PRETAKANJJE NAFTE CRPKA ZA PRETAKANJE NAFTE

2x1,5 4x1,5

REZERVNA CRPKA ZA PODMAZIVANJE

4x1,5

CRPKA VODE CRPKASLATKE SLATKE VODE

4x1,5

CRPKAMORSKE MORSKE VODE CRPKA VODE

REZERVNA CRPKA ZA PODMAZIVANJE

4x1,5

RZERVNA CRPKA HIDROFORA REZERVNA CRPKA HIDROFORA

4x1,5

REZERVNA CRPKA ZA HLA\ENJE G.M.

4x2,5

CRPKA SLU@BE CRPKA OP]E OP]E SLU@BE

REZERVNA CRPKA ZA HLA\ENJE G.M.

SEPARATOR ULJA SEPARATOR ULJA 2x1,5

ZAGRIJA^ SEPARATORA ULJA

4x1,5

ZAGRIJA^ SEPARATORA ULJA

SEPARATOR NAFTE

2x1,5

SEPARATOR NAFTE

2x1,5

ZAGRIJA^ SEPARATORA NAFTE ZAGRIJA^ SEPARATORA NAFTE

RAZDJELNIK GRIJA^A

18 kVA 3x16

RAZDJELNIK GRIJA^A

380/220V 50Hz REZERVA REZERVA

EL. EL. KOMPRESOR KOMPRESOR

SIDRENO VITLO SIDRENO VITLO EL. [TEDNJAK EL.[TEDNJAK

RAZDJELNIK RAZDJELNIK VENTILACIJE VENTILACIJE

Slika 2.16. Glavna sklopna ploča

32

3. OSNOVE ELEKTRIČNIH STROJEVA 3.1. Osnovna podjela električnih strojeva Električni strojevi pretvaraju jedan oblik energije u drugi oblik na principu elektromagnetske indukcije. Iz toga se može zaključiti da barem jedna od energija mora biti električna. Pri tom pretvaranju jedan dio energije prelazi u toplinsku koja nepovratno odlazi u okolni prostor. Taj je dio zauvijek izgubljen za proces pretvaranja, pa se zove gubitak energije. Pod električnim strojevima u užem smislu uvijek se misli samo na one u kojima se elektromehaničko pretvaranje energije obavlja posredovanjem mehaničkog (obično rotacijskog) gibanja. Ovisno o pretvorbi energije iz jednog oblika u drugi, takav električni stroj može raditi kao 'generator ili motor, kako je shematski predočeno na slici .

. Slika 3.1. Shematski proces pretvorbe energije u električnom stroju

Električni generatori su strojevi koji pri svome radu pretvaraju mehaničku energiju u električnu. Mehaničku energiju dobivaju na svoje vratilo od pogonskog stroja (na brodu je to parna ili plinska turbina, dizel motor, osovina propelera), a električnu energiju predaju trošilima preko svojih stezaljki (priključnica). Električni motori su strojevi koji pri svome radu pretvaraju električnu energiju u mehaničku. Električna energija dovodi se na motorske stezaljke (priključnice) iz električne mreže, ili iz posebnog izvora. Mehanička energija predaje se s kraja vratila preko spojke, remena ili zupčanika pokretanom radnom stroju, odnosno mehanizmu. Posebni tip električnih strojeva su električni pretvornici (pretvarači). To su rotacijski strojevi koji pri svome radu pretvaraju električnu energiju jednih parametara u električnu energiju drugih parametara na principu elektromagnetske indukcije U električne strojeve u širem smislu ubrajaju se i električni transformatori iako nemaju pokretnih dijelova. To su statičke naprave koje pri svome radu pretvaraju električnu energiju jednih parametara u električnu energiju drugih parametara.

Ovisno o pretvorbi energije iz jednog oblika u drugi, u tablici 3.1. navedene su vrste električnih strojeva pomoću kojih se obavlja pretvorba. Električni strojevi koriste se ili pojedinačno ili kombinirano u grupi. Kod kombinirane upotrebe razlikuju se motorgeneratori, kaskade i električne osovine.

33

Tablica 3.1. Pretvorba energije u električnom stroju. Električni stroj

Oblik privedene energije

Oblik dobivene energije

GENERATORI MOTORI PRETVORNICI i TRANSFORMATO

mehanička električna električna

električna mehanička električna

Motorgenerator se sastoji od motora i jednog ili više generatora izravno vezanih mehanički. Motor je obično izmjenični, a generator istosmjerni stroj. Kaskada je sastavljana od dva rotacijska stroja koja su međusobno električki i mehanički spojena. Takve kaskade obično služe za pogone promjenljive brzine vrtnje. Električna osovina je takva kombinacija električnih strojeva kod koje su oba stroja napajana iz iste mreže, a sekundarni namoti su međusobno električki povezani. Na taj način ostvaruje se potpuno podudaranje u rotaciji oba stroja. Osim navedenih strojeva razlikuju se i razni specijalni strojevi kao npr. amplidini, selsini, tahogeneratori itd. Za svaki električni stroj karakteristično je da ima najmanje dvije garniture namota: uzbudni namot (koji se kod nekih vrsta strojeva može zamijeniti permanentnim magnetom) i armaturni {radni namot) . Rotacijski električni strojevi mogu se podijeliti s obzirom na vrstu struje, načme napajanja i prema principu rada. Prema vrsti struje električni strojevi mogu biti istosmjerni i izmjenični. Istosmjerni (kolektorski} stroj je onaj kroz čije priključne vodove teče istosmjerna struja;, iako kroz armaturni namot teče izmjenična. Kroz uzbudni namot tih strojeva također teče istosmjerna struja. Prema vrsti uzbude dijele se na ovisno i neovisno uzbuđene, a ovisno uzbuđeni strojevi, prema spoju uzbudnog namota, mogu biti serijski, paralelni\ koiupaundni (mješoviti). Izmjenični stroj je onaj kroz čije priključne vodove teče izmjenična struja. Prema izvedbi mogu biti jednofazni i višefazni, a ti se dalje dijele prema prncipu rada i pogonskim karakteristikama na sinkrone, asinkrone i kolektorske. Kod sinkronih strojeva teče kroz uzbudni namot istosmjerna struja, a kroz armaturni (radni) namot izmjenična struja. Kod asinkronih i kolektorskih strojeva izmjenične struje teče kroz oba namota izmjenična struja. S obzirom na brzinu vrtnje rotora, frekvencije struja oba namota obično su različite. Svaki od navedenih izmjeničnih strojeva može se dalje podijeliti s obzirom na izvedbu rotora (rotor s istaknutim polovima ili cilindrični rotor kod sinkronih strojeva, kavezni ili kolutni rotor kod asinkronih strojeva) ili s obzirom -na spoj i način napajanja kod kolektorskih strojeva. Osim navedene podjele električni strojevi mogu sejoš podijeliti prema drugim kritemima.

34

Tako se razlikuju strojevi prema izvedbenom obliku, mehaničkoj zaštiti, načmu hlađenja, nazivnoj brzini vrtnje, veličini, načimi poktretanja itd. Osnovna shema podjele električnih strojeva predočena je na slici. Za električne strojeve karakteristična su zajednička svojstva: a) mogu raditi u oba smjera pretvorbe električne energije, tj. rad električnih strojeva je reverzibilan. To znači da će električni rotacijski stroj, kome se dovodi mehanička energija, davati uz određene uvjete električnu energiju i raditi kao generator, a ako se tom istom stroju dovodi električna energija, on će davati uz određene uvjete mehaničku energiju i radit će kao motor. Isto tako, jednoarmaturni pretvornik ovisno o smjeru energije pretvara izmjenični napon u istosmjerni i obratno, a transformator može transformirati niži napon na viši ili obratno, ovisno o priključku transformatora, odnosno smjeru energije;

Slika 3.2. Shema podjele rotacijskih električnih strojeva. b) iz stroja dobivena energija manja je od stroju privedene energije. u idealnom slučaju (za idealne strojeve) bila bi privedena energija W1 dobivenoj energiji W 2 tj. vrijedi da je W1 = W 2

U realnim strojevima uvijek se dobije nešto manje korisne energije od one koja se stroju privodi. Razlog tome je taj što materijal od kojeg su strojevi izrađeni ne vodi idealno dobro električnu struju i magnetske silnice, a također pri rotaciji strojeva javlja se trenja, pa nastaju gubici energije W g - U tom slučaju vrijedi da je: W 2 = W1 − W g

Razumljivo da gubitak energije W nije nestao. On je samo izgubljen pri transformaciji, jer 35

se nije pretvorio u onaj oblik energije koji se od stroja želio dobiti. Za rad električnih strojeva od neobične je važnosti da gubitak energije Wg bude što manji zbog ekonomskih razloga i životne dobi električnog stroja. Jedna od veličina koja karakterizira ekonomičnost stroja je njegov stupanj iskoristivosti (korisnost) koji je definiran kao: η=

W2 W1

Kod idealnog stroja taj je odnos jednak jedinici, ili izražen u postocima, korisnost je 100 %. Kod realnog stroja korisnost je manja od jedan i određuje se prema: η=

W1 − W 2 W = 1− 2 W1 W1

Kod električnih strojeva korisnost se može izraziti pomoću omjera dobivene (predane) P2 i privedene (primljene) P1 snage: η=

P2 u k' samo su djelomično

opterećeni. Također, ako naponi kratkog spoja

paralelno spojenih transformatora nisu jednaki, tada je povoljnije da manji transformator ima veći napon kratkog spoja i obratno, jer relativno veće opterećenje preuzima transformator koji ima manji napon kratkog spoja. Ako su naponi kratkog spoja paralelno spojenih transformatora nejednaki, postrojenje treba rasteretiti tako da srednji napon kratkog spoja u k' bude jednak najmanjem naponu kratkog spoja, tj. transformator s najmanjim u k smije se opteretili nazivnim opterećenjem; c) Jednake grupe spoja (za trofazne transformatore). Pri tome je bitan kut zaostajanja fazora napona DN strane, odnosno satni broj. To znači da se mogu paralelno spojiti na istu sabirnicu istoimene stezaljke samo transformatori istog satnog broja (npr. 0 i 0; 5 i 5 itd.). Ako su transformatori različitih satnih brojeva (npr. 0 i 5; 6 i 11 itd.), tada se kod paralelnog spoja na DN strani ne spajaju zajedno na istoimene stezaljke već različito (ovisno o grupama spoja) kako bi se postigao navedeni uvjet; d) odnos nazivnih snaga transformatora koji nije veći od 1 : 3. Ako su uvjeti za paralelni rad transformatora ispunjeni, može se prići tzv. stavljanju transformatora u fazu, tj. spajaju se sve primame stezaljke transformatora na primarnu mrežu, a nakon toga ispita sc postoji li napon između sekundarnih stezaljka transformatora (a, b. c) i stezaljka odgovarajućih sabirnica {a,b,c). Postupak kontrole, prema slici ., obavlja se tako da se jedna stezaljka (npr. a) spoji na fazu mreže i kontrolira imaju li stezaljke b i c u odnosu na stezaljku a napon. Ako je grupa spoja takva transformatora (II) jednaka kao u već priključenog transformatora (I), tada između stezaljka (npr. između stezaljke b i faze L1 , odnosno stezaljkc c i faze L3 ) i istih faza mreže nema napona (što se provjerava voltmetrom), pa se te stezaljke (b, c) mogu spojiti s mrežom. Uključivanje (i isključivanje) transformatora za paralelni rad obavlja se prekidačem na primarnoj i sekundarnoj strani svakog transformatora.

Neke specifičnosti za transformatore na brodu Energetski transformatori na brodu rabe se za napajanje većih trošila koja rade pri nižim naponima od onog što ga daje izmjenični izvor. Ti su naponi općenito standardni. odnosno propisuju ih razna klasifikacijska društva. Tako prema HRB-u (Hrvatski registar brodova) veliki trofazni elektromotori (i grijanje tankova) rade pri naponu 380 i 440 V, a rasvjeta i jednofazna trošila pri 220 V (rasvjeta na tankerima pri 110 V). Također, propisi nekih klasifikacijskih društava ne dopuštaju za trošila koja su spojena na sekundarnu stranu transformatora napon prema trupu (masi) broda više od 150V.

94

Smanjenje nesimetričnih opterećenja i odgovarajući dopušteni napon prema brodskom trupu postižu se najčešće s pomoću transformatora primarno spojenih u trokut, a sekundarno u zvijezdu (npr. za sckundarni napon 220 V dobiva se napon prema brodskom trupu 127 V). Najčešće se koristi trofaznim transformatorima u spoju Dy 5, u kojih jc zvjezdište potpuno opteretivo. Zbog dodirnog napona, zvjezdište se na sekundarnoj strani transformatora redovito uzemljuje (izravno ili preko male impedancije). Na brodu. gdje se rasvjeta i druga mreža bitnih služba napaja preko transformatora, moraju se osigurati najmanje dva transformatora takve snage da, pri ispadu iz rada najvećega translormatora. ostali budu u stanju osigurati punu potrebnu električnu energiju pri svim uvjetima rada na brodu. Na brodovima ograničenog područja plovidbe (osim putničkih) dopuštena je ugradnja samo jednog transformatora. Prema Pravilima o gradnji pomorskih brodova koja je propisao IIRB, na jednofaznim i trofaznim transformatorima promjene napona pri radnom opterećenju u području između praznog hoda i nazivnog opterećenja, ne smiju prekoračiti 5% na transformatorima snage do 5 kVA po fazi, ili 2,5% na transformatorima većih snaga. Također, transformatori hlađeni zrakom ili suhim dielektrikumom, moraju izdržati sva 10%-na preopterećenja u trajanju od 1 sata i 50%-na preopterećenja u trajanju od 5 minuta. Svi transformatori koji se ugrađuju u brod podliježu ispitivanjima. Prema propisima HRB-a to se odnosi na:

- pregled i provjeravanje dokumentacije; - mjerenje otpora izolacije; - ispitivanje izolacije na otpornost protiv vlage; - provjeravanje spoja stezaljka; - provjeravanje prijenosnog odnosa; - provjeravanje grupe spoja namota; - ispitivanje pri nazivnom opterećenju i mjerenje temperature; - ispitivanje na preopterećenja; - provjeravanje promjena napona; - ispitivanje na udarnu struju kratkog spoja; - ispitivanje električne čvrstoće izolacije; - ispitivanje električne izolacije između zavoja namota; - provjeravanje antikorozijskih prevlaka; - provjeravanje stupnja zaštite kućišta.

95

Provedena ispitivanja moraju dati propisane veličine električnih i mehaničkih parametara transformatora od kojih su najvažniji otpor izolacije prema brodskom trupu, odnosno fazama namota, struje kratkog spoja na sekundarnom namotu i dopušteni porast temperature pri nazivnom opterećenju. Prema propisima HRB-a najmanji otpor izolacije pri temperaturi okoline od 20 ± 5° C i normalnoj vlažnosti kod transformatora na brodu u hladnom stanju mora biti 5 MΩ , a u ugrijanom stanju 2 MΩ . Transformator mora bez oštećenja izdržati struje kratkog spoja na .sekundarnom ili sekundarnim namotima pri nazivnom naponu primara i naponu kratkog spoja u vremenu kako je navedeno u tablici . Tabl. Parametri kratkog spoja transformatora u kratkom spoju prema propisu HRB-a

Napon kratkog spoja .transformatora

Trajanje kratkog spoja

t(s)

uk ( % )

Efektivna vrijednost simetrične struje kratkog spoja koju mora izdržati transformator

4 ili manje

2

25 ⋅ I n

Više od 4

3

100 ⋅ I n

Porast temperature transformatora koji rade pri nazivnim opterećenjima i temperaturi okoline od 45° C, ne smije biti veći od vrijednosti danih u tablici. Tabl. Dopušteni porast temperature transformatora prema propisu HRB-a:

Dio transformatora Namoti

Način

Dopušteni porast temperature za klasu izolacije

mjerenja

A

E

B

F

H

Otporom

55°C

65°C

75°C

95°C

120°C

Porast temperature ne smije biti veći od Jezgre i Termometrom

temperature koja je dopuštena

drugi dijelovi za okolni materijal

96

5. SINKRONI STROJEVI 5.1. Uvod Električni rotacijski strojevi kod kojih se rotor vrti jednakom brzinom kao i okretno magnetsko polje statora zove se sinkroni stroj. Brzina vrtnje rotora/okretnog magnetskog polja statora jednaka je sinkronoj brzini vrtnje ns.: 60 f ns = p f – frekvencija mreže; p- broj pari polova sinkronog stroja

Svi električni strojevi, pa tako i sinkroni, mogu raditi kao generatori ili motori odnosno reverzibilni su. Zbog praktičnih i konstruktivnih razloga neki se strojevi u pravilu izvode kao generatori (trofazni), a neki kao motori. Sinkroni stroj se na brodu uglavnom koristi kao sinkroni generator, a u posljednjem razdoblju (zadnjih 10-tak godina) se koristi i kao sinkroni motor i to u električnoj propulziji -kao motori većih snaga, dok se kao motori manjih snaga koriste u posebne namjene kao što su selsini i tahogeneratori. Sinkroni motor se koristi u onim pogonima gdje nije potrebno regulirati brzinu vrtnje a također se ne zahtjeva ni veliki broj pokretanja i zaustavljanja. Posebnu vrstu sinkronih strojeva predstavljaju kompenzatori koji rade bez pogonskog stroja a funkcija im je da elektroenergetskom sustavu daju jalovu komponentu snage (obično se ne koriste na brodovima). Sinkroni generator je jedini izvor električne energije na brodu. Izrađuju se za različite vrijednosti snaga tako da ih danas ima od 100 kW do 2 MW za napone 440 V, 60 Hz ili 380 V, 50 Hz izmjenične struje. Međutim pojavljuju se zahtjevi i za primjenom visokog napona (High Voltage -HV) posebno 6.6 kV, ali također i 3.3 kV i 11 kV pri frekvenciji 60 Hz. Kada se koristi kao generator u slučaju nužde (emergency generator) onda se snage kreće u rasponu 20 kW do 200 kW za 440 V ili 220 V. Sinkroni strojevi na brodu dobivaju mehaničku energiju od pogonskog stroja(turbina ili diesel motor). Parne turbine imaju velike brzine pa su i generatori pogonjeni tim turbinama građeni za velike brzine – brzohodni ili turbogeneratori. Vodena turbina radi pri manjim brzinama pa je i generator konstruiran za takvu izvedbu – sporohodni ili hidrogenerator. Prema vrsti pogonskog stroja određuje se nazivna brzina vrtnje i izvedba rotora sinkronog generatora. Pri frekvenciji od 50 Hz razlikuju se: Tablica 1. Izvedbe sinkronih generatora ns (r min-1) BRZOHODNI SREDNJEHODNI SPOROHODNI

750 - 3000 300 - 600 manje od 300

p cilindrični, 2,4,6,8 10 – 20 i rotor s istaknutim polovima više od 20 i rotor s istaknutim polovima

Primarni pokretač turbina, dizel motor dizel motor, osovinski gen., hidrogenerator osovinski gen., hidrogen.

5.2. Sinkroni generator Osnovni dijelovi sinkronog generatora su: - rotor s namotom - uzbudnim , potreban za stvaranje magnetskog toka; - stator s namotom - armaturnim (jednofazni ili višefazni), u kojem se inducira izmjenična elektromotorna sila (EMS-a). Kod starijih izvedbi sinkronih generatora postojali su uzbudnici koje je kod suvremenih sinkronih generatora zamijenio elektronički sklop.

1 - air flow; 2 – stator endshield; 3 - heat exchanger; 4 – emergency air outlet doors; 5 – stator core (with air ducts); 6 –emergency air inlet panel; 7 – pilot exciter 8 – min exciter; 9 – diode plate; 10 - fanshield

Slika 5.1. Sinkroni generator Stator je izveden u obliku cilindra koji je sastavljen iz prstenastih dinamo limova koji su međusobno izolirani tankim slojem papira, laka ili oksida. Na unutrašnjem obodu nalaze se u uzdužnom smjeru u jednakom razmaku utori (otvoreni ili poluzatvoreni) u koje se postavlja statorski/armaturni namot. Krajevi namotaji statora završavaju u priključnoj kutiji statora, koja može imati tri ili šest pristupnih stezaljki ovisno o izvedbi nul – točke generatora (slika 2.). onaj dio namota koji se nalazi u utorima predstavlja aktivni dio jer se u njemu inducira napon, a čeoni prednji i stražnji spojevi su neaktivni dijelovi namota.

Slika 5. 2. Priključna kutija statora

Slika 5. 3. Rotor generatora u a)izvedbi s istaknutim polovima 1- uzbudni namot; 2 – tijelo rotora; 3 – međupolni konektor; 4 – polna papučica

b) cilindričnoj izvedbi 1- tijelo rotora; 2 – uzbudni namot u utoru ; 3 – osovina pola ; 4 – kraj namota

Rotor je uzbudni dio stroja i može biti (slika 4.3.): - s istaknutim polovima ; - cilindrične izvedbe Rotor s istaknutim polovima ima polove na valjku tj tijelu rotora. Jezgra pola se sastoji iz običnih limova čiji oblik ima utjecaj na raspodjelu magnetskog toka u zračnom rasporu, a tako i na inducirani napon. Na jezgri polova nalazi se rotorski-uzbudni namot koji je izveden tako da po obodu izmjenično slijedi N (sjeverni) i S (južni) magnetski pol. Svaki pol završava s polnim stopalom (nastavak) koji zatvara namot s vanjske strane i posreduje pri prolazu magnetskog toka iz rotora preko zračnog raspora u stator. Kako je namot smješten relativno dalje od osovine rotora to je pri većim obodnim brzinama opterećen i relativno velikom centrifugalnom silom, namot se mora zbog toga brižljivo konstruirati i učvrstit. Rotori s istaknutim polovima se obično grade za male i srednje brzine vrtnje i za njih vrijedi da je zračni raspor δ ≠ konst. Rotor s neistaknutim polovima – cilindrične izvedbe je u obliku valjka s radijalnim ilim paralelnim utorima unutar kojih se postavlja uzbudni namot. Uzbudni namot je koncentričan a raspodjela u utorima je takva da inducirani napon u statoru sinkronog stroja ima oblik sinusoide. Ovom konstrukcijom rotora moguće je ostvariti velike brzine vrtnje i vrijedi da je δ = konst. Kako bi se u prijelaznim stanjima otklonile smetnje u rotor se često ugrađuje prigušni namoti ili tzv. kratkospojni kavez. Kod rotora s istaknutim polovima izveden je u obliku štapova koji prolaze kroz utore u uzdužnom smjeru polnih nastavaka i s obje su strane međusobno povezani kratkospojnim prstenima. Kod onih s neistaknutim polovima prigušni namot se sastoji iz metalnih klinova koji zatvaraju utore i koji su na bočnim stranama kratko spojeni. Uzbuda se ostvaraju pomoću uzbudnog sustava koji sadrži upravljačko-regulacijske uređaje i električnu zaštitu. Ovaj sustav mora udovoljavati uvjetima: - pouzdanosti; - ekonomičnosti; - regulacija uzbudnog napona u propisanim granicama;

- brzi porast uzbudnog napona u slučaju naglog pada napona u električnoj mreži. Sinkroni generator kada radi kao na brodu onda se kaže da su to uvjeti rada na vlastitoj mreži za razliku od radnih uvjeta na kopnu kada se kaže da je to rad na krutu mrežu.regulacijom uzbude se u brodskoj elektroenergetskoj mreži postiže regulacija napona mreže, a u kopnenoj mreži se regulira jalova komponenta snage koju generatora daje u mrežu. Regulacijom uzbude postiže se bolja statička stabilnost rada i brže smanjenje oscilacija. 5.3. Uzbuda generatora Prema vrsti uzbude izvršena je podijela na sustave s rotacijskim uzbudnikom i statičke sustave: - rotacijski uzbudnik : - istosmjerni - izmjenični (klasični sinkroni generator i inverzni) - statički uzbudnik : - s naponskim izvorom - s naponskim i strujnim izvorom. Prema načinu uzbude ubudni sustavi se dijele na: - neovisne – napajaju se iz posebnog izvora ili izravno s pogonskog stroja. Najčešće je to istosmjerni generator («budilica») koji je na istoj osovini kao i sinkroni generator , pa pogonski stoj pokreće sinkroni generator i uzbudnik (dovod energije neovisan od drugih izvora), a posebni izvor podrazumijeva uzbudnik pogonjen posebnim dizelskim ili električnim motorom; - samouzbudni. Uzbudna struja se dovodi na uzbudni namot preko kliznih kolutova i četkica smještenih na osovinu uz rotor sinkronog generatora. Veličina struje koju istosmjerni generator daje uzbudnom namotu određuje veličinu induktivnih struja u samom armaturnom namotu generatora, pa je uzbudnu struju potrebno podesiti tako da se postigne stanje opterećenja jalovom snagom koja se želi. Napon uzbudnika se podešava pomoću ručnog ili automatskog regulatora u njegovom uzbudnom krugu (tim krugom teku relativno male struje). Zbog skupog održavanja i problema vezanih uz kolektor, kao i skupih istosmjernih uzbudnika, istosmjerni uzbudnici se sve manje ugrađuju u nove jedinice a zamjenjuju se izmjeničnim sinkronim uzbudnicima. Izmjenični sinkroni uzbudnik se izvodi kao klasični sinkroni generator s trofaznim armaturnim namotom na statoru ili kao inverzni sinkroni uzbudnik. Klasični sinkroni uzbudnik napaja se preko tiristorskog mosta (Slika 5.5.). Uzbudnik se nalazi na istoj osovini kao i sinkroni generator, a uzbuda glavnog generatora se regulira upravljivim tiristorskim usmjerivačem. Kada se primjenjuje uzbuda s rotirajućim ispravljačima (Slika 6.) ona u potpunosti isključuje kolektor i klizne kolute. Kao uzbudnik služi mali sinkroni generator tj. Sinkroni inverzni sinkroni uzbudnik kod kojega su zamijenjene uloge statora i rotora. Armatura izmjeničnog uzbunika vrti se na istoj osovini s rotorom glavnog sinkronog generatora i s njegovim uzbudnim namotom. Na istoj osovini vrte se i ispravljači koji nisu upravljivi pa im kao takvima ne trebaju vanjski priključci. Namot armature sinkronog uzbudnika spojen je preko tih ispravljača s uzbudnim namotom glavnog sinkronog generatora čvrstim priključcima bez

Slika 5.4. Shema spoja trofaznog sinkronog generatora s uzbudnikom

Slika 5.5. Shema spoja sustava uzbude sa sinkronim uzbudnikom kliznih koluta jer se cijeli sklop vrti na istoj osovini.polovi sinkronog uzbudnika (na statoru) a)

b)

Slika 5.6. a) Uzbudni sustav s rotirajućim ispravljačima b) Uzbudni sustav sa stacionarnim ispravljačima miruju pa za njihovu uzbudu trebaju čvrsti dovodi. Regulacijom male struje upravlja se naponom sinkronog uzbudnika a time i ispravljenom strujom koja teče u uzbudnom namotu glavnog sinkronog generatora. Takav sinkroni uzbudnik je rijetki primjer gdje sinkroni stroj ima armaturu na rotoru, a polove na statoru. Statički sustav uzbude ima tiristorske usmjerivače preko kojih se napaja uzbuda sa stezaljki sinkronog generatora ili iz posebnog izvora. Struja iz izmjeničnog sinkronog generatora ispravlja se upravljivim tiristorskim ispravljačem (ili ispravljač sa silicijskim diodama) na koji djeluje regulator. Na ovaj način se ne koriste kolektorski uzbudnici ali je potrebno osigurati izvor izmjeničnog napona za napajanje uzbude. Danas se uglavnom koriste samouzbudni trofazni sinkroni generatori koji se sami uzbuđuju koristeći pojavu remanentnog magnetizma .Uzbudni namot sinkronog generatora je preko ispravljačkog sklopa i prigušnice spojen na stezaljke sinkronog generatora. Kada se rotor sinkronog generatora zavrti u armaturnom namotu se inducira napon zbog remanentnog magnetizma. Kroz zatvoreni strujni krug proteći će u ispravljač struja koja je: E I= a proporcionalno toj struji povećat će se na izlazu iz ispravljača struja uzbude sve dok 3X se ne ispuni uvjet da je napon na stezaljkama sinkronog generatora : U = 3 I X Da bi napon ostao nepromijenjen pri promjeni opterećenja samouzbudni singroni generator mora još imati i automatski regulator napona. Statičkim samouzbudnim kompaudnim sustavom uzbude cijeli agregat je kraći (nema rotacijskog uzbudnika) ali je potrebno ugraditi uzbudni transformator kojim se prilagođava napon napajanja uzbude.

Slika 5.7. Principijelna shema spoja samouzbudnog sinkronog generatora

Slika 5.8. Principijelna shema spoja statičkog samouzbudnog kompaudnog sustava uzbude Najvažnija karakteristika uzbudnog sustava su brzina odziva i faktor forsiranja uzbude. Brzina odziva uzbudnika ovisi o visini maksimalnog napona uzbudnika, vremenskim konstantama uzbudnog kruga uzbudnika i vrsti sustava uzbude. Brzina reguliranja napona sinkronog generatora ovisi o brzini odziva uzbudnika, brzini djelovanja regulatora i vremenskoj konstanti uzbudnog kruga sinkronog generatora koja vrijedi za zadano prijelazno stanje. Faktor forsiranja uzbude određuje se prema izrazu: U k f = u max i iznosi 1.2 do 2. Veći faktor forsiranja traži skupi uzbudnik, pa se koristi samo u U un iznimnim slučajevima.

5.4. Automatska regulacija napona Naglo povećanje struje opterećenja (npr. pri startanju motora) u generatoru uzrokuje odgovarajuće promjene u izlaznom naponu. To je zbog unutrašnje pada napona u namotajima generatora i ta pojava se naziva podnapon. Slično tome, opadanjem dolazi do porasta napona na sabirnicama (prenaponi). Da bi se pratile promjene opterećenja uzbudni susstav generatora mora imati mogućnost regulacije (upravljanja). Oprema automatske regulacije napona (AVR) je neophodna da brzo ispravi takve promjene opterećenja ( Slika 5.9.)

Slika 5.9. Generator /AVR AVR kontrolira napon generatora do +/- 2,5% (ili bolje) njegove zadane vrijednosti pri punom opterećenju. Ovo je «brzo stanje» regulacije napona. Prolazni pad napona je najčešće ograničen na 15% za određene iznenadne promjene napona sa povratom na zadani napon unutar 1,5 sekundi. U specijalnim slučajevima, gdje je neočekivano velika potrošnja (npr. za dizalice tereta) mogu se karakteristike AVR promijeniti i prilagoditi određenim zahtjevima. AVR prepoznaje generatorski izlazni napon i nastoji promijeniti struju polja tako da se napon održi u zadanim vrijednostima. Ručno podešavajući regulator (trimer) može se smjestiti u generatorski kontrolni panel da uspostavi naponsku razinu od 440 V. Najčešće je naponski potenciometar smješten na kontrolnoj kartici AVR-a tako da nije moguć pristup operateru. Kontrolni/upravljački struji kruga za moderne AVR-e je sastavljena od transformatora, pojačala, otpornih dioda, tranzistora i tiristora. Oni su smješteni na jednu ili više kartica kruga instaliranih unutar razvodne ploče ili direktno na generator. Različiti su proizvođači AVR-a ali osnovna shema koja sadrži spomenute elemente je u osnovi ista (slika 5.10).

Slika 5.10. AVR blok dijagram

Naponska –senzorska jedinica smanjuje, povećava i ispravlja generatorski izlazni napon. To proizvodi signal istosmjerne struje niskog napona koji je proporcionalan naponu generatora izmjenične struje. Ovaj trenutni signal istosmjerne struje se uspoređuje s početnom vrijednosti istosmjerne struje koja je nastala u referentnom strujnom krugu zener dioda i otpornika. Pogrešni izlazni signal iz komparatora se pojačava i podešava (pravi pogodnim) za napajanje regulacijskog tiristora. Tiristor je brzodjelujući elektronski prekidač, upravljen naponskim signalom sa izlaznog terminala. Ovaj uređaj pojačava i regulira struju generatorskog polja. AVR treba sa svojim komponentama da uspostavi: - brzo vrijeme reakcije (odziva) u odnosu na stabilizaciju napona; - pravilnu raspodjelu struje kada generatori rade u paraleli; - brzo podizanje napona za pokretanja generatora; - glavna zaštita za prekoračenje, odnosno pad napona. Kompletni AVR strujni krug je dosta složen i sastoji se od nekoliko otpornika s promjenjivim vrijednostima za kontrolu osjetljivosti, izvansistemske greške i stabilnost (proporcionalnu, integralnu i diferencijalnu kontrolu). Oni su namješteni tako da se tokom generatorskog rada postignu optimalna i stabilna svojstva. Preporučuje se da se odoli iskušenju za namještanjem takvih već namještenih kontrolnih uređaja ukoliko nismo kompetentni za takve radnje. Provjere u radu AVR sistema prema uputama proizvođača se sastoje od mjerenja napona izmjeničnih i istosmjernih struja na određenim testnim točkama. One se uspoređuju s vrijednostima koje su bile prihvatljive tokom prethodnih ispitivanja generatora. Najčešće se upotrebljava za ove testove testovi s voltmetrom. Većina brodova ima rezervnu AVR jedinicu ili rezervne kartice koje se mogu zamijeniti nakon što se pronađe kvar. Izmjena AVR-a može se jedino napraviti kada je generator zaustavljen i izbačen iz mreže. Nakon instaliranja novog AVR-a treba se provjeriti vrijednost struje polja uzbude i ručna regulacija napona. Ovo se treba napraviti kada generator radi bez opterećenja tj. prije pokušaja da se sinkronizira na sabirnice. Kada generator radi u paraleli potrebno je provjeriti podjelu približno jednakih struja između strojeva. To će pokazati ispravnost rada njihovih AVR-a. 5.5. Princip rada sinkronog generatora Protjecanjem struje kroz uzbudni namot stvara se magnetsko polje i pri tome konstatnoj uzbudi odgovara konstantni magnetski tok a ako se mijenja struja mijenja se i protjecanje proporcionalno struji uzbude. Tako se razlikuju: - mirujuća protjecanja – nastala su istosmjernom strujom; - pulzirajuća protjecanja – nastala su jedofaznom izmjeničnom strujom; - rotirajuća protjecanja – nastala su višefaznom (trofaznom) strujom u višefaznom namotu. Prolaskom istosmjerne struje kroz uzbudni namot stvara se konstantno magnetsko polje čiji je tok nepokretan kada rotor miruje. Mehaničkim okretanjem rotora okreće se i magnetski tok polova koji određenom brzinom presijeca armaturni namot na statoru u kojem se inducira izmjenična EMS-a.U slučaju da je uzbuda izmjenična raspodjela indukcije u zračnom rasporu biti će pulzirajuća. Kod simetrične višefazne izmjenične struje uzbuda raspodjele indukcije u rasporu sadrži harmonike od kojih se svaki vrti sa svojom vlastitom brzinom, pa se oblik indukcije u zračnom rasporu mijenja od trenutka do trenutka unatoč konstantnom zračnom rasporu i simetričnom višefaznom protjecanju. Napon koji se inducira karakteriziran je oblikom, smjerom, frekvencijom i iznosom. Kod sinkronih generatora je brzina vrtnje u stacionarnom stanju konstantna pa vremenska promjena induciranog napona u svakom vodiču odgovara prostornoj raspodjeli indukcije u zračnom rasporu generatora. Oblik induciranog napona u armaturnom namotu sinkronog generatora trebao bi biti sinusni. Da bi se to postiglo potrebno je da se magnetska indukcija u zračnom rasporu mijenja po zakonu sinusa, a to se postiže oblikom polnih nastavaka i izvedbom armaturnog namota. Ako je napon koji se inducira nesinusnog oblika pojavljuju se viši

harmonici koji su nepoželjni, a prema propisima odstupanje napona na stezaljkama generatora ne smije biti više od 15 % amplitude osnovnog harmonika. Srednja vrijednost indukcije na polnom koraku iznosi: Φ Bx = gdje je : τ p ⋅l

τ p - polni korak, l- dužina stroja, Φ - magnetski tok Ako je raspodjela sinusna u zračnom rasporu tada je srednja indukcija: Bs =

1

τp

τp

∫B

m

⋅ sin(

0

Π

τp

x ) ⋅ dx =

2 ⋅ Bm Π

Pa je maksimalna vrijednost indukcije s kojom treba računati:

Bm =

Π Π Φ ⋅ Bs = ⋅ 2 2 τ p ⋅l

brzina relativnog gibanja vodiča prema polju prikazuje se preko brzine vrtnje n(r min-1): D ⋅ Π ⋅ n 2 p ⋅τ p ⋅ n v= gdje je D promjer rotora, a 2p je broj pari polova sinkronog generatora. = 60 60 Maksimalna vrijednost induciranog napona u vodiču je: p ⋅n E m = Bm ⋅ l ⋅ v = π ⋅ Φ ⋅ =π ⋅Φ ⋅ f 60 gdje je frekvencija određena izrazom: n pa ukoliko se želi dobiti frekvencija induciranog napona 50 Hz, tada se rotor mora 60 vrtiti točno određenom sinkronom brzinom. U tablici 2. prikazane su sinkrone brzine vrtnje kod frekvencije 50 Hz za razne brojeve pari polova. f = p⋅

Tablica 5.2. Sinkrone brzine vrtnje rotora sinkronog generatora kod frekvencije 50 Hz p 1 2 3 4 5 6

ns(rmin-1) 3000 1500 1000 750 600 500

p 8 10 12 16 20 24

ns(rmin-1) 375 300 250 187,5 150 125

Uzme li se u obzir broj zavoja, oblik, veličina i raspodjela namota u utorima i po obodu statora, inducirani napon jedne faze računa se po izrazu: E = 4,44 ⋅ Φ ⋅ f ⋅ N ⋅ k n gdje je Φ magnetski tok, f frekvencija, N broj zavoja jedne faze i kn faktor namota koji uzima u obzir oblik, veličinu i raspodjelu namota u utorima i po obodu statora sinkronog generatora.

5.6.Pogonska stanja sinkronog generatora Za sinkroni stroj karakteristična su tri pogonska stanja: kratki spoj, prazni hod i opterećenje. Prazni hod je takvo stanje u pogonu kod kojeg se rotor sinkrong generatora vrti konstantnom brzinom vrtnje, uzbuda je takvog iznosa da se inducira nazivni napon E = Un , a stezaljke armaturnog namota su otvorene, pa je armaturna struja jednaka nuli Ia= 0.kada pogonski stroj pokreće sinkroni generator konstantnom brzinom vrtnje, a uzbudni namot je protjecan istosmjernom strujom zbog čega se uzbuđuje glavni magnetski tok, u armaturnom namotu svake faze inducira se napon određen izrazom E = 4,44 ⋅ Φ ⋅ f ⋅ N ⋅ k n koji se može svesti na izraz: E = k ⋅ Φ jer su broj namotaja, frekvencija i faktor namota konstantne veličine. Glavni magnetski tok ovisan je o iznosu uzbudne struje, broju zavoja uzbudnog namota, dimenzijama magnetskog kruga te o karakteristikama magnetskog materijala. Za određenu izvedbu sinkronog generatora broj zavoja uzbudnog namota je konstantan pa je krivulja magnetiziranja Φ = f ( I u ) određena karakteristikom magnetskog kruga. Promjenom uzbudne struje u praznom hodu mijenja se magnetski tok u magnetskom krugu sinkronog generatora, tako se mijenja i inducirani napon. Na slici 4.9. a) prikazana je karakteristika praznog hoda koja u odgovarajućem mjerilu predstavlja i krivulju magnetiziranja. Najveći dio protjecanja otpada na zračni raspor to se u području zasićenja (0.5 T) uzima samo to u obzir, a zanemaruje se protjecanje za put magnetskih silnica kroz željezo. U slučaju zanemarenja magnetskog otpora željeza tada je uzbudna struja određena pravcem δ . Međutim ako se uzme u obzir magnetski otpor željeza uzbudna struja u praznom hodu određena je karakteristikom δ + Fe.

Slika 5.11. Karakteristika praznog hoda a) i fazorski dijagram b) sinkranog generatora u praznom hodu Na slici 5.11. b) prikazan je fazorski dijagram sinkronog generatora u praznom hodu gdje je napon stezaljki jednak induciranom naponu , a struja uzbude u praznom hodu prethodi tom naponu za 90º. Priključenjem simetričnog trošila na stezaljke generatora poteći će armaturnim namotom struja opterećenja Ia . Ta struja izaziva padove napona u namotu armature pa je napon na stezaljkama sinkronog generatora manji od induciranog napona (U< E). Ovakvo pogonsko stanje se naziva opterećenje trofaznog sinkronog generatora. a)

b)

Slika 5.12. a) Nadomjesna shema sinkronog generatora s cilindričnim rortorom b) Fazorski dijagram opterećenog sinkronog generatora Na slici 5.12. su prikazane prilike u opterećenom sinkronom generatoru s cilindričnim rotorom. Napon E0 je onaj napon koji bi se inducirao u armaturnom namotu nakon rasterećenja sinkronog generatora i kada bi karakteristika praznog hoda bila pravac. Taj inducirani napon nešto je manji zbog zasićenja. Vektorska razlika napona E0 i E predstavlja fiktivni pad napona izazvan djelovanjem reakcije armature koji odgovara reaktanciji armature Xa. Primarna uzbuda inducira napon E0 u armaturi, a nakon oduzimanja pada napona I a Ra (zbog omskog otpora Ra ), pada napona I a X a (zbog reakcije armature) i pada napona I a X σ (zbog rasipne reaktancije armaturnog namota ) dobiva se napon na stezaljkama U. Prema nadomjesnoj shemi: U + I a Ra + I a X σ = E a kako je sinkroni generator najčešće induktivno opterećen tada fazorski dijagram izgleda kao na slici 4.10.b). Obično se promatra sinkrona reaktancija koja je jednaka zbroju reakcija armature X a i rasipne reaktancije X σ : X s = X a + Xσ Sva razmatranja sinkronog generatora s cilindričnim rortorom odnose se i na generatore koji imaju istaknute polove, ali zbog različitih magnetskih otpora u uzdužnoj i poprečnoj osi treba armaturno protjecanje razložiti na uzdužnu i poprečnu komponentu, pa se tako računa sa reaktancijom u uzdužnoj X d i poprečnoj X q osi. Da bi napon na stezaljkama U kod opterećenog sinkronog generatora ostao nazivnog iznosa, mora se , ovisno o veličini opterećenja, mijenjati inducirani napon E. Struja opterećenja stvara s armaturnim namotom protjecanje, odnosno armaturni magnetski tok koji djeluje na glavni magnetski tok stvoren uzbudom, zbog čega se mjenja iznos induciranog napona E. Ta pojava naziva se reakcija armature. Djelovanje reakcije armature pri opterećenju ovisi o vrsti opterećenja tako da : - pri čistom omskom opterećenju napon stezaljki U se neznatno mijenja s promjenom opterećenja; - pri induktivnom opterećenju taj se napon smanjuje; - pri kapacitivnom opterećenju napon raste. Ovisnost napona stezaljki o struji opterećenja U = f ( I a ) pri konstantnoj struji uzbude i faktoru snage određuje vanjsku karakteristiku sinkronog generatora (slika 5.13.).

Slika 5.13. Vanjska karakteristika sinkronog generatora Kako sinkroni generator mora osigurati trošilu konstantan napon kod svih opterećenja potrebno je promjenom uzbudne struje mjenjati glavni magnetski tok tako da se inducira upravo takav napon E koji će davati konstantan napon stezaljki. Potrebna uzbudna struja za razne iznose struja opterećenja i razne faktore snage i konstantni napon stezaljki U može se odrediti računski, grafički ili mjerenjem, odnosno njihovom kombinacijom. Tu ovisnost pokazuju tzv. regulacijske karakteristike(slika 5.14.). na istom dijagramu je prikazana i karakteristika praznog hoda, kako bi se upozorilo, da u tom pogonskom stanju sinkronog generatora, za nazivni napon Un potrebna struja Iu0.

Slika 5.14. Regulacijske karakteristike sinkronog generatora Kratki spoj sinkronog generatora je posebno pogonsko stanje u kojem su stezaljke armaturnog namota međusobno kratko spojene kratkim vodovima velikog presjeka a struje u kratko spojenoj armaturi mogu slobodno teći. Pri tome pogonski stroj vrti generator sinkronom brzinom, a generator je uzbuđen. Kako u kratkom spoju nema zasićenja, struja kratkog spoja raste proporcionalno uzbudnoj struji pa je karakteristika kratkog spoja I k = f ( I u ) pravac. Kratki spojevi mogu biti:

-

simetrični tj. tropolni (trofazni) kratki spoj trofaznog sinkronog generatora u kojem su stezaljke armature kratko spojene međusobno pa je napon između njih jednak nuli; - nesimetrični kratki spojevi mogu biti: jednopolni; dvopolni i dvopolni sa zvjezdištem. Pri jednopolnom kratkom spoju kratko se spaja jedna faza sa zvjezdištem, a kod dvopolnog kratko se spajaju dvije faze, a kod dvopolnog sa zvjezdištem kratko se spajaju dvije faze i zvjezdište. Pokusi kratkog spoja ostvaruju se kratkim spajanjem odgovarajućih stezaljki generatora, a zatim zalijetanjem pogonskim strojem do sinkrone brzine, te podizanjem struje uzbude do vrijednosti kad struja dosegne nazivnu vrijednost. To su trajni kratki spojevi. Struja trajnog tropolnog kratkog spoja generatora ovisi obrnutoproporcionalno o sinkronoj reaktanciji, dvopolnog kratkog spoja osim o sinkronoj reaktanciji i o reaktanciji inverznog sustava protjecanja, a jednopolnog kratkog spoja i o nultoj reaktanciji. U električnoj mreži se javljaju i udarni kratki spojevi. Početne struje i zakretni momenti kod udarnih kratkih spojeva znatno su veći od onih u trajnom kratkom spoju. Karakteristike simetričnog i nesimetričnog kratkog spoja prikazane su na slici 5.15.

Slika 5.15. Karakteristika tropolnog a), dvopolnog b) i jenopolnog c) kratkog spoja trofaznog sinkronog generatora U kratkom spoju sinkronog generatora struja Ia povećava se na maksimalnu struju kratkog spoja. Dok proradi električna zaštita , rastuća struja kratkog sapoja spoja svojim magnetskim učinkom uzrokuju velike mehaničke sile – udarce. Ti mehanički udarci djeluju na čeone spojeve koji se zbog toga moraju dobro učvrstiti.Početnu struju kratkog spoja moguće je prigušiti s velikim reaktancijama namota. Nakon početne struje kratkog spoja slijedi prijelazna, trajna struja kratkog spoja koja svojim toplinskim učinkom može oštetiti namot ako se sinkroni stroj na vrijeme ne odspoji sa el. mreže.

5.7. Rad sinkronog generatora na vlastitoj mreži

Slika 5.16. Blok shema rada sinkronog generatora na vlastitoj mreži Sinkroni generator može sam napajati grupu trošila kao jedini izvor ele. energije. Tada mora svim trošilima osigurati napon konstantnog iznosa i frekvencije bez obzira na vrstu i veličinu opterećenja. U tom slučaju sinkroni generator radi na vlastitoj mreži. Promjenom opterećenja dolazi do promjene napona na stezaljkama generatora, a također i do promjene frekvencije tj. do promjene brzine vrtnje rotora. Kako bi veličine napona i frekvencije ostale u zadanim granicama to je potrebno: - neprekidno regulirati napon stezaljki sinkronog generatora promjenom uzbudne struje i - regulirati brzinu vrtnje tako da ona bude sinkrona, kako bi frekvencija induciranog napona bila konstantna. Pri radu sinkronog generatora na vlastitoj mreži bitan je faktor snage s kojim radi generator i on je određen trošilom.faktor snage trošila može ovisiti o frekvenciji, a ponekad može biti i funkcija napona što proračun stacionarnih i prijelaznih stanja generatora u radu čini znatno složenijim.Razvijeni elektromagnetski moment određuje se iz: M =

Pem

ωm

= Pem ⋅

1

= 9.55 ⋅

Pem gdje je ω m mehanička (kutna) brzina, ω kružna frekvencija n

n 30 a n brzina vrtnje (rmin-1). Protumoment razvijenom elektromagnetskom momentu je u stacionarnom stanju pogoski moment stroja ( moment turbine, disel motora ili osovine propelera).veličina pogonskog momenta određena je dotokom pare ili plina u turbinu ili goriva u dizelski motor, a regulira se ugradnjom regulatora uz pogonski stroj. Na taj način je moguć rad sinkronog generatora na vlastitu mrežu s približno konstantnom frekvencijom. Vanjske karakteristike pogonskog stroja imaju različite oblike (slika 5.17.). Sjecište karakteristika pogonskog momenta i elektromagnetskog momenta predstavlja stacionarnu radnu točku generatora. Π⋅

Slika 5.19. Karakteristika disel motora i sinkronog generatora Porastom opterećenja sinkronog generatora dolazi do pada napona U i pojačane reakcije armature, zbog čega je potreban regulator napona. Većim opterećenjem sinkronog generatora javlja se i veći kočni moment zbog čega je potrebno pogonskim strojem dovoditi više mehaničke energije kako bi brzina vrtnje rotora ostala konstantna. U suprotnom rotor bi se vrtio sporije pa bi porastom opterećenja padala frekvencija induciranog napona.Zbog toga je potrebno ugraditi regulator brzine vrtnje koji će djelovati na pogonski stroj ovisno o opterećenju sinkronog generatora. Sinkroni generator se na el. mrežu na kojoj ne radi drugi sinkroni generator se spaja relativno lako:

Slika 5.20. Shema spoja trofaznog sinkronog generatora s uzbudnikom na el. mrežu

1. Sklopka S je otvorena i sinkroni generator se zavrti bez uzbude pomoću pogonskog stroja do sinkrone brzine vrtnje (mjeri se brojilom okretaja); 2. Kada se postigne sinkrona brzina vrtnje (odgovara nazivnoj frekvenciji el. mreže npr. 50 Hz) uključi se uzbuda (pomicanje otpornika Ru): 3. ampermetar pokazuje odgovarajuću struju, a voltmetar mrežni napon- nakon toga slijedi uključenje sinkronog generatora na el. mrežu. Ampermetar A2 pokazuje struju opterećenja koja zahtjeva veći inducirani napon tj. veću struju uzbude kako bi napon stezaljki sinkronog generatora ostao konstantan (voltmetar V). Istovremeno s uzbudom mora se dodavati pogonskom stroju pogonska energija da brzina vrtnje i frekvencija izmjenične struje ne padnu ispod dozvoljenih granica. Ako se regulira uzbudna struja, tako da napon sinkronog generatora bude u stacionarnom stanju konstantan, a pogonski stroj se ne regulira, promjenom opterećenja znatno će se mijenjati brzina vrtnje, odnosno frekvencija napona. Promjena brzine vrtnje bit će neznatna samo u slučaju čistog jalovog opterećenja koji ne zahtjeva djelatnu snagu. Promjenom vanjskog djelatnog opterećenja trošilo zahtjeva novu djelatnu snagu koju mu osigurava pogonski stroj. Ako se pogonski moment ne mijenja mora se nakon prijelazne pojave uspostaviti novo stanje novom veličinom brzine vrtnje koja slijedi iz zakona o održavanju energije i ravnoteže protjecanja. Ukoliko je inducirani napon jednak naponu mreže (E=U) tada je stroj u praznom hodu. Da bi generator dao struju u el.mrežu potrebno je povisiti inducirani napon sinkronog generatora i to pojačanjem uzbude. Pri opterećenju sinkronog generatora potrebno je povećati privedenu mehaničku snagu. Opterećenje sinkronog generatora (trajno uz određeni cos φ) označeno je na natpisnoj pločici. Veće opterećenje, manji cosφ, zagrijava se armaturni namot i uzbudni iznad dopuštene nadtemperatura. Zbog toga može doći do oštećenja izolacije namota. 5.8. Paralelni rad sinkronih generatora Sinkroni generatori najčešće rade u paraleli. Dva ili više sinkronih generatora koja su spojena paralelno ili u seriju napajaju el. energijom brodsku el. mrežu, pri čemu su napon i frekvencija konstantni. Za paralelni priključak generatora potrebno je provesti postupak sinkronizacije odnosno potrebno je postići: - jednake iznose napona generatora i napona mreže; - jednake frekvencije napona generatora i napona mreže; - jednake kutove napona generatora i mreže; - isti redoslijed faza generatora i mreže. Ukoliko bilo koji od spomenutih uvjeta nije ispunjen dolazi do velikih strujnih udara, a time i do oštećenja sinkronog generatora i drugih elemenata brodskog postrojenja. Postupak uključenja sinkronog generatora na brodsku mrežu je slijedeći: - generator se pokreće pogonskim strojem do približno sinkrone brzine vrtnje (određena frekvencija uz određeni broj pari polova sinkronog generatora); - uključuje se i regulira uzbuda generatora dok se ne postigne vrijednost napona koja odgovara naponu mreže; - provjerava se redoslijed faza mreže i sinkronog generatora (može pomoću indikatora redoslijeda faza ili pomoću smjera vrtnje malog indukcijskog motora koji je spojen na stezaljke generatora odnosno brodske mreže); - priključak se izvodi kada je fazni pomak između istoimenih napona generatora i brodske mreže doveden na najmanju moguću mjeru. Ispunjenost uvjeta za paralelni rad provjerava se različitim uređajima za sinkronizaciju. Sinkronizacija može biti automatska, poluautomatska i ručna. Najjednostavnije su sinkronizacijske žarulje pri čemu se koristi tamni, svijetli i mješoviti spoj. Takva sinkronizacija je ručna.

Slika 5.21. Sinkronizacija pomoću a) tamnog i b) mješovitog spoja sinkronizacijskih žarulja Kod sinkronizacije trofaznog sinkronog generatora najčešće se koristi tamni spoj gdje je premoštena generatorska sklopka sa žaruljicama. Žarulje moraju biti predviđene da izdrže dvostruki fazni napon. Postupak je slijedeći: - žarulje trajno svijetle – nema približne jednakosti napona generatora i mreže; - reguliranjem uzbude postiže se jednakost napona mreže i generatora – provjerava se voltmetrima; - kod jednakih iznosa napona, a različitih frekvencija – žarulje čas svijetle a čas potamne u ritmu frekvencije napona generatora i mreže; - podešava se brzina vrtnje pogonskog stroja – frekvencije se izjednačavaju – paljenje i gašenje žarulja je sporije; - duži interval tame – frekvencije se izjednačile – potrebno je uključiti generator; - ako je paljenje i gašenje žarulja istovremeno – redoslijed faza je ispravan, a ako nije potrebno je dva dovoda na sinkronom generatoru zamjeniti. Svijetli spoj se kod trofaznog sinkronog generatora ne koristi jer maksimalna razlika napona nastupa 600 iza trenutka kada se naponi odgovarajućih faza poklapaju. Napon između stezaljki L1 i V u trenutku kada se naponi pokapaju iznosi 3 Uf, a nakon 600 taj napon iznosi 2Uf. Primjenom mješovitog spoja može se zaključiti da li se rotor sinkronog generatora vrti prebrzo ili presporo. Jedna žarulja priključena je kao kod tamnog spoja, a dvije križno između dvije različite faze brodske mreže i generatora: - različite frekvencije – sve žarulje tamne ili svijetle (ako su žarulje u trokut postavljene slijedi kao da se svjetlo vrti i kada ta «vrtnja» stane – postignuta je jednakost frekvencija ). Uz sinkronizacijske žarulje obično se koriste i instrumenti za kontrolu napona i frekvencije (slika 5.22.) – poluautomatska sinkronizacija.

Slika 5.22. Principijelna shema uređaja za sinkronizaciju pomoću instrumenta Pri poluautomatskoj sinkronizaciji koriste se : - za kontrolu napona sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki voltmetar; - za kontrolu frekvencije sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki frekvenciometar; - nul-voltmetra (mjeri više od od dvostrukog faznog napona) – služi za utvrđivanje istofaznosti napona sinkronog generatora i brodske mreže. Kada on pokaže nulu tada je postignuta istofaznost napona. Ovaj sklop se može još nadopuniti sinkronizacijskim žaruljicama kako bi se utvrdila prevelika ili premala brzina vrtnje rotora. Umjesto žarulja koristi se sinkronoskop s kazaljkom koji u sebi sadrži nul-voltmetar. To je mali sinkroni motor koji se priključuje između kontakata sklopke i brzinom koja je ovisna o razlici frekvencija napona sinkronog generatora i napona brodske mreže okreće se kazaljka koja predstavlja fazor napona sinkronog generatora ( miruje i stoji okomito prema gora). Kada kazaljka stane u položaju fazora napona brodske mreže, postignuta je istofaznost i može se priključiti sinkroni generator na brodsku mrežu. Prema smjeru vrtnje može se zaključiti da li se rotor generatora vrti prebrzo ili presporo (djeluje se na regulator pogonskog stroja). U pogonskim prilikama često se radi i gruba sinkronizacija. Pri tome generator koji se uključuje na mrežu zavrti se pogonskim strojem na brzinu vrtnje koja je jednaka približno sinkronoj brzini (do 2%), uključi se bez uzbude na brodsku mrežu i tek se tada uzbudi.. Elektromagnetski moment koji se tada stvori nakon priključka uzbude povuče generator u sinkronizam. Gruba sinkronizacija se koristi ako udar struje nije veći od 3.5 In. Prednost ovog načina sinkronizacije je u brzini i jednostavnosti automatizacije. Automatska sinkronizacija – vrši se sinkronizatorima. Njihovo djelovanje osigurava se jednostavnim pritiskom na tipku koja je smještena na glavnoj sklopnoj ploči u polju generatora. Po završetku sinkronizacije glavnom sklopkom generator se priključuje na brodsku mrežu. Povećanjem uzbude raste i inducirani napon, napon na stezaljkama generatora, opterećenje (djelatna komponenta), zatim dolazi do porasta faznog pomaka φ između napona stezaljki U i struje opterećenja Ia, te do povećanja jalove komponente struje (fazni pomak i faktor snage mijenjaju se s vrstom opterećenja). Ako je djelatna komponenta struje konstantna , a povećava se jalova (povećana je struja opterećenja) dolazi do zagrijavanja namota generatora. Prividna snaga (na natpisnoj pločici) ne smije se prekoračiti jer sinkroni generator u tom slučaju lako ispada iz sinkronizma.

Povećanjem uzbudne struje povećava se jalova komponenta struje sinkronog generatora i tada se on naduzbudi.. Ako generator treba dati i struju opterećenja(djelatnu komponentu) u brodsku mrežu, dolazi do povećanja el. snage, a to znači da se pogonskom stroju (disel motor ili turbina) mora povećati mehanička snaga, a sinkroni generator istodobno se jače uzbudi. Ako se ne mjenja mehanička snaga pogonskom stroju ne mjenja se ni električna snaga sinkronom generatoru

Slika 5.23.Momentna karakteristika sinkronog generatora i pogonskog stroja Ako sinkroni generator radi paralelno na mreži konstantne frekvencije tada mu je i brzina vrtnje konstantna pa mu je momentna karakteristika n = f (M ) pravac paralelan s apcisom (slika 5.23. karakteristika a).Na istoj slici su prikazane i karakteristike reguliranog pogonskog stroja (b). Na slici 5.23. se vidi kako se moment generatora može mjenjati samo djelovanjem pogonskog stroja, a to znači da se promjenom uzbude ne može mijenjati djelatna snaga jer se uzbudom ne može djelovati na brzinu vrtnje pogonskog stroja.često se linearno prikazuje i funkcija frekvencijadjelatna snaga generatora (slika 5.24.).

Slika 5.24. karakteristika frekvencija –snaga generatora Generator koji je sinkroniziran na el. mrežu predaje djelatnu el. energiju tako da se djeluje na regulator pogonskog stroja – povećava se pogonski moment. Kako je u početnom trenutku električni protumoment jednak nuli dolazi do poremećaja ravnoteže primljene i predane snage zbog čega se brzina vrtnje rotora generatora na trenutak poveća. Rastom brzine vrtnje rotora raste brzina okretnog magnetskog polja uzbude u odnosu na okretno polje mreže pa inducirani napon generatora prethodi naponu mreže. Između napona na stezaljkama i induciranog napona nastaje pad napona, a kroz namot armature mora proteći struja koja zaostaje za 90 0 za padom

napona. Ta je struja u fazi s naponom generatora(djelatna struja), pa generator razvija u odnosu na pogonski stroj kočni moment. Promjena uzbude sinkronog generatora djeluje samo na izmjenu jalove snage s mrežom za bilo koje pogonsko stanje a ne samo generator u praznom hodu. Povećanjem uzbude generator daje induktivnu, a smanjenjem uzbude kapacitivnu struju u mrežu. Za regulirani sinkroni generator može se prikazati linearna ovisnost napona generatora o jalovoj snazi (slika 5.25.)

Slika 5.25. Karakteristika napon-jalova snaga generatora Opterećeni sinkroni generator se isključuju s brodske el. mreže: - smanji se uzbuda, a na taj način i inducirani napon tako da je cosφ=1; - istovremeno se smanjuje mehanička energija pogonskom stroju. Struja opterećenja se smanjuje do minimuma , a frekvencija sinkronog generatora jednaka je frekvenciji brodske mreže. Kada je struja opterećenja jednaka nuli generatorskom sklopkom se generator isključi s mreže, isključi se i regulacijski otpornik u krugu uzbude i pogonski stroj. Ovakvo isključenje se vrši u slučaju rasterećenja el. mreže. Ukoliko sinkroni generator treba isključiti sa el. mreže uz nepromijenjeno opterećenje treba sa smanjenjem uzbude isključenog generatora ostale generatore naduzbuditi i povećati mehaničku energiju pogonskim strojevima. Kvarovi koji zahtjevaju trenutna isključenja s brodske el. mreže čine skupinu pogonskih stanja u kojima dolazi do porasta napona generatora. Obično se grade generatori kod kojih porast napona pri rasterećenju ne prelazi 30% nazivnog napona. 5.9. Gubici i korisnost sinkronog generatora

Slika 5.26. Bilanca snage sinkronog generatora

Gubici se dijele na osnovne i dodatne, odnosno na gubitke u statoru i gubitke u rotoru. Gubici u statoru (Pgs)se sastoje: - gubici u bakru statorskog namota – PCus; - gubici u željezu – PFe; - dodatni gubici – Pd: Pgs = PCus + PFe + Pd Gubici u rotoru (Pgr) se sastoje: - gubici uzbude – Pgu; - mehanički gubici – Pgm;

Pgr = Pgm + Pgu

Gubici nastali u željezu (histereza i vrtložne struje) i mehanički gubici (trenje i ventilacija) ne ovise o opterećenju i dio su gubitaka praznog hoda (Po): P0 = PFe + Pgm Gubici u bakru i dodatni gubici nastaju pri opterećenju sinkronog generatora i proporcionalni su kvadratu struje opterećenja – gubici opterećenja sinkronog generatora Pgt: Pgt = PCus + Pd

Gubici uzbude javljaju se i u praznom hodu i pri opterećenju sinkronog generatora, a mijenjaju se s kvadratom promjene uzbudne struje (Iu): 2

Pgu = I u Ru a pokrivaju se iz zasebnog izvora (osim kod samouzbudnih trofaznih sinkronih generatora) iz kojeg se napaja uzbudni namot. Bilanca snage sinkronog generatora je prikazana na slici 5.26.

Asinkroni motori Stroj kojemu rotor nikada ne postiže brzinu vrtnje kojom se okreće magnetsko polje statora zove se asinkroni stroj. Svaki asinkroni stroj može raditi kao generator ili motor. Ako se rotor asinkronog stroja pogoni nadsinkronom brzinom vrtnje (rotor ima veću brzinu vrtnje od okretnog magnetskog polja statora), tad stroj radi kao generator, a ako se pogoni podsinkronom brzinom vrtnje (rotor ima manju brzinu vrtnje od okretnog magnetskog polja statora), tad stroj radi kao motor. Asinkroni generator u praksi se rijetko susreće jer redovito može raditi kad je priključen na mrežu koja se istodobno napaja sinkronim generatorom. To je zbog loga što asinkroni generator vuče iz mreže struju. magnetiziranja za stvaranje svoga vlastitog okretnog magnetskog polja, pa kada na mreži ne bi radio sinkroni generator, asinkroni generator ne bi se uzbudio ni ako se vrti nadsinkronom brzinom. Asinkroni generator može se ipak i sam uzbuditi s pomoću kondenzatora priključenih na stezaljke statora, jer u tom slučaju kondezatori dobavljaju potrebnu jalovu struju za uzbudu. Ti generatori sa samouzbuđenjem s pomoću kondenzatora nisu postigli širu primjenu jer je cijena potrebnih kondenzatora suviše velika. Na brodu se upotrebljavaju samo asinkroni motori. Zovu se još i indukcijski jer se energija iz statora na rotor prenosi elektromagnetskim putem, tj. indukcijom. To znači da nema nikakve električne (galvanski vodljive) veze između statora i rotora niti između rotora i vanjske mreže, pa je iz tog razloga asinkroni motor sličan transformatoru. Asinkronom motoru primarni namot nalazi se na statoru, koji sc spaja na mrežu. Da bi okretno polje statora induciralo napone u vodičima rotora (sekundarni namot), mora biti neka relativna brzina između okretnog polja statora i rotora. Kad bi njihove brzine vrtnje bile jcdnake, u rotoru se ne bi inducirali naponi, ne bi potekle struje, a bez struje u rotoru ne bi se razvijao moment. U tom slučaju, pri sinkronoj brzini vrtnje, takav motor ne bi mogao pretvarati energiju. Ovisno o tome na koju je brodsku mrežu priključen statorski namot, odnosno za koju je brodsku mrežu građen asinkroni motor on je trofazni ili jednofazni. .

Trofazni asinkroni motori Trofazni asinkroni motor je najjednostavniji elektromotor, koji se sastoji od dva glavna dijela (statora i rotora) i drugih dijelova predočenih na slici .

Presjek i sastavni dijelovi trofaznog asinkronog motora Namoti su najvažniji sastavni dijelovi asinkronog motora. Tehničke vrijednosti kao što su korisnost, faktor snage, zaletna svojstva, preopteretivost, zagrijavanje i magnetska buka, ovise o prikladnom izboru i izvedbi namota statora i rotora. Pogonska sigurnost i vijek trajanja ovise u velikoj mjeri o kvalitetnoj izradi namota. Statorski trofazni namot izrađen je od izoliranih bakrenih ili aluminijskih vodiča, a sastoji se od svitaka koji se ulažu u utore. Najčešće korišteni oblici statorskih utora asinkronih motora predočeni su na slici :

Oblici statorskih utora asinkronih motora

Prema obliku svitaka namoti mogu bili petljasti ili valoviti, a prema simještaju u utore jednoslojni ili dvoslojni. Trofazni asinkroni motori imaju na statoru najčešće dvoslojni trofazni namot peljastog ili valovitog tipa, a spojcni su u zvijezdu ili trokut. Na slici . predočeni su statori s jednoslojnim i dvoslojnim trofaznim namotom. Valja znati da se u svim prilikama nakon ulaganja u utore namoti učvršćuju utorskim klinovima ili kapama (npr. klin ili traka od tvrdog papira - prešpana), a zatim se natope izolacijskim lakom i osuše. Oblikovani svici imaju veliku mehaničku čvrstoću koja sc još povećava učvršćivanjem glava namota. Veliki asinkroni motori primaju pri pokretanju i preklapanju velike udarne struje koje uzrokuju znatno mehaničko naprezanje glava namota pa se zbog toga glave namota učvršćuju.

Statorski jednoslojni a) i dvoslojni namot b) trofaznog asinkronog motora Krajevi statorskog namota spojeni su na priključunu kutiju motora. U niskonaponskih motora normalne izvedbe, s prigradnim mjerama prema standardu IEC, normalni je položaj priključne kutije na desnoj strani motora, gledano s pogonske strane. Svi drugi položaji priključne kutije moraju se pri narudžbi motora posebno zatražiti. Normalne priključne kutije potpuno su zatvorene poklopcem, a imaju jedan ili dva otvora s uvodnicima za priključak, kako je predočeno na slici .

Priključna kutija a) i pločica b) trofaznog asinkronog motora

Razmaci i strujne staze u priključnoj kutiji moraju se tako dimenzionirali da se unutar nje može nesmetano ugraditi priključna pločica sa stezaljkama za priključak krajeva namota. Standardne izolacijske pločice imaju 6, a polno preklopivi motori obično 9 ili 12 stezaaljka. Kvarovi elektromotora na brodu često se događaju upravo u priključnoj kutiji. Zbog toga proizvođači asinkronih motora posebnu pozornost poklanjaju pravilnoj izradi priključnih stezaljka, jer sc time znatno pridonosi pogonskoj sigurnosti. Preskokom električne iskre ili prekidom dovoda zbog slabo dimenzioniranih priključnih stezaljka počinju često veća oštećenja. Namot statora moguće jc u priključnoj kutiji prespajati u zvijezdu Y (npr. za napon 380 V) ili u trokut D (npr. za napon 220 V), kako je predočenu na slici .

Prespajanje statorskog namota u priključnoj kutiji Oznake dovoda mreže trofaznog suslava su L1 , L2 , L3 , statorske stezaljke namota označuju se s U 1 , V1 , W1 , a krajevi namota u statoru s U 2 , V 2 , W 3 . Ako nema šest izvoda u priključnoj kutiji počeci namota označeni su slovima U , V , W , a krajevi s X , Y , Z . Prema izvedbi rotorskog namota trofazni asinkroni motori dijlc se na kavezne i kolutne. Ako je namot neizoliran smješten u utore (nema izolacije između štapova i utora, odnosno jezgre rotora), prema slici ., međusobno spojen na čeonim stranama kratko spojenim prstenom, dobiva sc kratko spojeni rotor. Budući da rotorski namot ima oblik kaveza, takav se trofazni asinkroni motor zove kavezni motor.

Oblik utora kaveznih rotora asinkronih motora Kavezni rotori grade se uvijek ka rotori s potiskivanjem sd'ujc, osim u motora malih snaga, do cca 15 kW (1500 min −1 ). Djelovanje rotora s potiskivanjem struje osniva se na činjenici da se masivnim rotorskim štapovima zbog poprečnog utorskog polja induciraju vrtlože .struje. One uzrokuju neravnomjernu raspodjelu struje po presjeku štapa, tako da se struja u štapu potiskuje prema otvoru utora i zbog toga nastaju povećani gubici. Zato su omski otpor rotorskog namota i potezni moment •veći nego pri jednolikoj razdiobi struje. To djelovanje povećava se s povećanjem frekvencije rotora i visine štapa, a iščezava u blizini sinkronizma, tj. kod nazivnog opterećenja. Još veće potiskivanje struje pojavljuje se u kočnom području, jer je tamo frekvencija rotora viša nego mrežna frekvencija. Kavezi rotora malih snaga jednostruki su kavezi s relativno malom visinom štapova. Oni ne pokazuju znatnije potiskivanje struje. Najčešće se lijevaju zajedno s kratko spojenim prstenima od čistog aluminija, koji se ulije u željezni paket. Slike predočuju oblike utora malih motora. U izradi srednjih motora bakreni (ili mjedeni) štapovi utiskuju se u utore predočene na slikama a)do e) i tvrdo se zaleme s oba kratko spojena prstena. U rotora s potiskivanjem struje razlikuju se uglavnom dvije izvedbe: kavezni rotori s visokim štapovima i dvokavezni rotor. Kavezni rotor s visokim štapovima ima razmjerno uzak i visok štap u utoru. Za razliku od njih, za veće motore uzimaju se pretežno klinasti štapovi s utorima prema slikama g) i h). Kavezni rotor s klinastim štapovima i ventilatorima predočen je na slici .

Kavezni rotor s ventilatorima

Još bolje karakteristike postižu se primjenom dvokaveznog rotora. Lijevani dvokavezi lijevaju se najčešće od aluminija i imaju dva kratkospojna prstena s izlivenim ventilacijskim lopaticama. Kod većih dvokaveza u donjem dijelu utora leže bakrcni štapovi, iznad toga štapovi ud bakra ili mjedi. Lemljenjem četiriju kratkospojnih prstena nastaju dva odvojena kaveza s različito visokim otporima. Gornji kavez koji ima viši otpor zove se zaletni kavez. Na slici . prikazane su različite izvedbe utora dvokaveznih rotora

Oblici utora dvokaveznih rotora

Ako rotor ima sličan namot kao i stator, ako je trofazni namot uložen u utore ( zavoji namota međusobno su izolirani, a također su izolirani prema utorima, odnosno jezgri rotora) i spojen u zvijezdu kojoj su tri izvoda spojena na prstenove, onda se takvi motori zovu trofazni asinkroni kolutni motori. Pri tome je važno napomenuti da na prstenove dosjedaju četkice koje su spojene na priključnu kutiju rotora. Na slici . predočenje rotor trofaznog kolutnog motora.

Kolutni rotor trofaznog motora Asinkroni motor s kolutnim rotorom znatno je skuplji od motora s kaveznim rotorom, manje je pouzdan u radu i zahtijeva zamršenije i skuplje održavanje. Zbog toga se sve manje izrađuje i sve rjede upotrebljavaju. Danas se još uvijek zadržala njegova primjena na brodu za dizalični pogon ili pogon brodskih vitala.

Trofazni asinkroni kavezni motori Izgled trofaznog asinkronog kaveznog motora koji se ugrađuje u brod vidi se na slici

Trofazni asinkroni kavczni motor niskog a) i Visokog b) napona Način rada Način rada trofaznog asinkronog kaveznog motora može se opisati prema načelnoj spojnoj shemi na slici :

.

Načelna spojna shema za trofazni asinkroni kavezni motor

Ako se stator kaveznog motora priključi na brodsku mrežu trofaznog napona, struje koje poteku iz mreže u namote statora bit će, zbog simetrije, međusobno razmaknute u fazi, kao i naponi, za kut od 120°. Takve simetrične struje u simetričnome trofaznom namotu daju okretno protjecanje Θ koje stvara u zračnom rasporu okretno polje magnetske indukcije B. Raspored indukcije u rasporu (koji je, pretpostavlja se, sinusoidni) inducira u namotima statora trofazni sustav napona E1 , E 2 , E 3 koji mora biti upravo takav da drži ravnotežu trofaznom .sustavu napona mreže U 1 , U 2 , U 3 . Kad bi se i tu zanemarili padovi napona u djelatnom otporu R1 , i rasipnoj reaktanciji statorskih namota X σ 1 , dobio bi se model idealnog stroja. U tom slučaju moraju naponi biti jednaki. E1 = U 1 , E 2 = U 2 , E 3 = U 3

Taj uvjet ravnoteže napona određuje struje u namotima. Okretno polje indukcije u rasporu, koje je rezultat djelovanja svih struja zajedno, mora biti upravo toliko da u namotima inducira napone E. Padovi napona, zbog struja u statorskom namotu, u trofaznom asinkronom kaveznom motoru su znatni, i bitno utječu na rezultate u kvantitativnim razmatranjima, pa uvjet ravnoteže napona (bez zanemarenja) glasi: E = U − I ⋅ ( R1 + jX σ 1 )

gdje je R1 djelatni otpor, a Xσ 1 rasipna reaktancija statorskih namota. Budući da se rotor trofaznog asinkronog kaveznog motora ne napaja iz vanjskog izvora, u njemu teku samo struje što ih inducira okretno polje stvoreno u zračnom rasporu. Da bi te struje mogle poteći, namoti rotora moraju biti zatvoreni strujni krugovi, a da bi struje u rotorskom namotu dale okretno protjecanje, mora taj namot biti višefazan. Za postići simetričan višefazni sustav, broj faza statora i rotora ne mora btti jednak, već namot mora bili raspoređen simetrično, a broj polova statorskog i rotorskog namota mora u svakom slučaju biti jednak . Ako je stator priključen na brodsku mrežu, a rotorski je namot otvoren i ne vrti se s rotorom, isto okretno polje koje inducira napone u namotima statora inducirat će napone i u namotima rotora. Brzina kojom sc to okretno polje vrti prema vodičima statora ista je kao i prema vodičima rotora, tj. frekvencije su jednake.

f 2 = f1

Napone u statoru i rotoru inducira jedan te isti magnetski tok. Jedino se razlikuje broj zavoja N i faktor namota ξ n koji za stator i za rotor mogu biti po fazi različiti. Ako se podijele izrazi za inducirane napone rotora E 2 i statora E1 dobiva se:

E 2 : E1 = N 2 ξ 2 : N 1ξ 1

tj. inducirani napon po fazi rotora i napon po fazi statora stoje u čvrstom odnosu tako dugo dok rotor miruje. Ako se zatvore rotorski namoti, ali i dalje rotor miruje, inducirani naponi potjerat će u rotoru struje. Struja svake faze neće biti u fazi s naponom, već će za njim zaostajati za kut ϕ 2 koji ovisi o odnosu reaktancije i radnog otpora rotorskog namota. Prema tome, sekundarno (rotorski) inducirani napon E 2 preko impedancije rotorskog namota: Z 2 = R 22 + X σ2 2

protjerat će struju: I2 =

E2 R 22 + X σ2 2

gdje je R2 djelatni otpor, a X σ 2 rasipna reaktancija rotorskog namota. Ta struja u rotoru s magnetskim tokom okretnog polja Φ uzbuđenim od statorskih struja stvara silu u pojedinim vodičima rotora, a time i okretni moment u smjeru vrtnje okretnog polja. Tako stvoreni moment sila proporcionalan je struji I 2 , magnetskom toku Φ i kosinusu kuta pomaka struje i napona rotora: M = k ⋅ I 2 ⋅ Φ ⋅ cos ϕ 2

Ako rotor nije zakočen, počet će se okretati. Brzina vrtnje rotora rast će i približavat će se sinkronoj brzini vrtnje. Brzina okretnog polja rotora n s 2 ,, bit će uvijek jednaka brzini okretnog protjecanja koje ga je stvorilo. n s 2 = n s ⋅ (1 − s ) + s ⋅ n = n s =

60 ⋅ f 1 p

gdje je p broj pari polova motora, a s klizanje definirano izrazom. Povećanjem brzine vrtnje smanjuje se zaostajanje rotora za okretnim poljem, a s time i brzina kojom okretno polje sa svojim silnicama siječe vodiče u rotorskim utorima. To zaostajanje rotora za okretnim poljem definira .sc kao klizanje, koje se označuje slovom s, a određuje iz izraza: s=

ns − n ns

ili

s% =

ns − n ⋅100 ns

Kad rotor stoji (n = 0), klizanje je jednako jedan (s = 1). Kad mu se brzina povećava, klizanje opada i postaje nula (s = 0) onda kada se rotor vrti sinkronom brzinom ( n = n), tj. kad je brzina rotora jednaka brzini okretnog polja. Klizanje s određuje ne samo brzinu vrtnje već i frekvencije, napone, struje, tj. cijelo pogonsko stanje asinkronog stroja. Ono je najprikladniji parametar za definiranje tog stanja.

Kad rotor stoji, frekvencija f 2 rotoru induciranog napona E 2 jednaka je statorskoj (primarnoj) frekvenciji f 2 . Ako se rotor vrti u smjeru okretnog polja, sve manje zaostaje za njim, pa frekvencija rotora (sekundara) f 2 pada proporcionalno s klizanjem, tj. iznosi: f 2 = s ⋅ f1

Omjer statorskog (primarog) i rotorskog (sekundarnog) induciranog napona, ovisan o frekvencijama je: 4.44 ⋅ Φ ⋅ f 1 ⋅ N 1 ξ 1 E1 N ⋅ξ = 1 1 = E 2 4.44 ⋅ Φ ⋅ f 2 ⋅ N 2 ⋅ ξ 2 N 2 ⋅ ξ 2

gdje je N 1 i N 2 broj zavoja statorskog i rotorskog namota, a ξ 1 i ξ 2 namotni faktor statora i rotora. Označi li se rotorski napon u mirujućem stanju rotora ( s = 1 ) s priključen na napon E1 dobiva se :

E 20

uz stator

E 20 = 4.44 ⋅ Φ ⋅ f 1 ⋅ N 2 ⋅ ξ 2

pa je odnos tog napona prema naponu statora: E 20 N 2 ⋅ ξ 2 = E1 N1 ⋅ξ 2

Budući da je inducirani napon na rotoru E 2 proporcionalan frekvenciji u rotoru f 2 bit će pri klizanju s : E 2 = s ⋅ E 20

Inducirani napon rotora i njegova frekvencija izravno su proporcionalni klizanju. Proporcionalno s povećanjem brzine vrtnje pada klizanje s, a pada i napon rotora E 2 . Pada li napon, pada i struja, a s njezinom radnom komponentom pada i okretni moment motora. Motor će se prema tome ubrzavati tako dugo dok se pri određenom klizanju ne izjednače moment motora M moment tereta M 1 , i time sc uspostavi ravnoteža. Kad nema tereta, motor se vrti u praznom hodu. On tada nema korisnog momenta, ali još uvijek mora svladavali moment trenja u vlastitim ležajima, moment trenja rotora o zrak i moment ventilacije. Za svladavanje tih momenata potrebna je neka vrlo mala struja I 2 , a s tim i vrlo mali napon E 2 i vrlo malo klizanje s koje ipak nije nula, iako je jako maleno. Zato asinkroni motor bez vanjske pomoći ne može postići sinkronu brzinu vrtnje. U sinkronizmu ( s = 0 ) ne inducira sc uopće nikakav napon, pa u rotoru nema ni struja koje bi u magnetskom polju stvarale moment. Motor očito ne može raditi pri sinkronoj brzini vrtnje.

Kad se mijenja frekvencija rotora, mijenja se i induktivni otpor rotora

Xσ 2

prema

izrazu: X σ 2 = 2π ⋅ f 2 ⋅ Lσ 2 = 2π ⋅ s ⋅ f 1 ⋅ Lσ 2 = s ⋅ X σ 2

gdje je Lσ 2 induktivitet, a X σ 2 induktivni otpor rotora kad se on ne vrti. Prema prijašnjim izrazima dobiva se rotorska struja: I2 =

E 20 R 22 + ( s ⋅ X σ 2 ) 2

Ako se izraz podijeli sa s dobiva se :

I2 =

E 20 ⎛ R2 ⎜⎜ ⎝ s

2

⎞ ⎟⎟ + X σ2 2 ⎠

koji pokazuje da se može, mijenjajući veličinu djelatnog otpora s R2 na R2 s , dobiti u mirujućem stanju rotora ista vrijednost struje I 2 , kakva bi se dobila u Stvarnom pogonskom slanju kod klizianja s. Ako se usporede zaostajanja fazora struje I 2 ., za naponom E 2 , dobit će se za rotor u vrtnji: tg ϕ =

s ⋅ Xσ 2 R2

za mirujući rotor : tg ϕ =

Xσ 2 s ⋅ Xσ 2 = R2 R2 s

tj. kutna zaostajanja se ne razlikuju u oba slučaja. Frekvencije rotorske struje sc svakako razlikuju, ali ta razlika ne utječe na snagu, a niti na moment vrtnje. Već jc rečeno da je asinkroni motor u biti transformator, pa za njega vrijedi nadomjesna shema koja je definirana na slici (naravno, uz uvjet da se rotor ne vrti). Izraz omogućuje da nadomjesna shema posluži i za asinkroni motor tako da se za djelatni otpor rotorskog namota

unese vrijednost R2 s . Budući da je stvarni otpor rotorskog namota R2 , to je u shemi na slici unesen odvojeno fiktivni djelatni otpor: R2 f =

R2 1− s − R2 = R2 ⋅ s s

Nadomjesna shema asinkronog motora Analogno kao u transformatora, u nadomjesnoj shemi asinkronog motora sve vrijednosti u rotorskom (sekundarnom) krugu preračunate su na statorsku (primarnu) stranu. Te vrijednosti označene su crticom do simbola. Momentna karakteristika Momentna karakteristika ili vanjska karakteristika trofaznog asinkronog motora pokazuje kako se mijenja okretni moment motora u ovisnosti o brzini vrtnje M = f ( n ) , odnosno klizanju motora M = f ( s ) . Te karakteristike mogu se, osobito u području zaleta, međusobno znatno razlikovati, ovisno o izvedbi rotora, odnosno ovisno o djelovanju utjecajnih faktora na karakteristiku momenta. Na slici predočene su momentne karakteristike trofaznog asinkronog motora. One su nacrtane nakon analitičkog proračuna na osnovi nadomjesne sheme motora , ili s pomoću njegova kružnog dijagrama .

Momentne karakteristike trofaznog asinkronog motora

Prema slici dade se uočiti da motor priključen na napon razvija u mirovanju (n = 0, s = 1) potezni (ili pokretni) moment M p koji pokrene rotor. Taj moment u mirovanju također se zove moment kratkog spoja. Vrtnjom rotora iz stanja mirovanja počinje zalet motora. Moment raste s porastom brzine i najčešće pri 70 do 90 % sinkrone brzine vrtnje postiže maksimalnu vrijednost. Taj moment zove se maksimalni (ili prekretni) moment M np , a pripadno klizanje maksimalno (ili prekretno) klizanje s m . U toj točki pogona motor prelazi iz područja zaleta u područje stacionarnog pogona, gdje ima asinkroni motor tvrdu karakteristiku, tj. brzina vrtnje neznatno se mijenja s promjenom opterećenja. Kod još većih brzina rotora ( s < s m ) naglo se smanjuje moment, a kad njegov rotor postigne zadanu ili nazivnu brzinu vrtnje n n , pokretanje je završeno i nastupa vrijeme normalnog (stacionarnog) rada motora. Nazivni moment motora M n ,računa se iz podataka s natpisne pločice s pomoću izraza: Mn =

Pn

ω

=

60 ⋅ Pn 2π ⋅ n n

gdje je Pn - nazivna snaga motora u (W), a n n - nazivna brzina vrtnje u ( r min − 1 ). Vrlo često karakteristika momenta nema minimalni moment u trenutku pokretanja, nego pri nekoj brzini vrtnje tijekom zaleta. Taj minimalni moment u zaletu zove se moment sedla. Od motora se zahtijeva da ima dovoljno veliki potezni moment Mp kako bi mogao pokrenuti opterećeni motor, da ima propisani maksimalni moment M m ( M m > 1.6 M n ) da može svladavati kratkotrajno mehaničko preopterećenje i da moment sedla ne sprečava motor da postigne punu brzinu vrtnje. U trenutku pokretanja motora (s = 1) struja koju motor uzima iz mreže je maksimalna struja kratkog spoja I k i ona se smanjuje s porastom brzine vrtnje, a u praznom hodu (s = 0) jednaka je struji praznog hoda I 0 . Struja kratkog spoja obično se izražava kao višekratnik nazivne struje, a ovisna je o broju pari polova, o izvedbi rotora i veličini motora. Pri nazivnom naponu je obično I k = ( 3 ÷ 8 ) I 0 Pokretanje motora Pri svakom pokretanju motora statorski namot povuče iz mreže struju kratkog spoja (što povećano zagrijava motor) i uzrokuje pad napona u mreži. To može izazvati nepoželjne posljedice na druga trošila priključena na brodsku mrežu. Da bi se taj negativan utjecaj smanjio, potrebno je primijeniti razne postupke pokretanja motora, ovisno o veličini motora, vrsti zaleta i kvaliteti same brodske mreže. Pri lome valja znati da ni jedan mogući način pokretanja trofaznog asinkronog kaveznog motora (osim priključka motora na izvor promjenjive frekvencije) ne može povećati potezni moment, već samo smanjuje struju pokretanja. Upravo snižavanjem napona na stezaljkama motora za vrijeme pokretanja smanjuje se proporcionalno i struja, a istodobno smanjuje se i potezni moment (smanjuje se s kvadratom napona).

Propisi za električne strojeve određuju da se motor opterećen nazivnom snagom ne smije pregrijati pri promjeni napona mreže za ± 5%. Ako se motor građen za nazivni napon U n priključi na neki drugi napon U ' , mijenja se struja proporcionalno naponu. Magnetski tok motora mijenja se također proporcionalno naponu (zanemareno zasićenje), pa je: Φ' U ' I ' = = Φn Un I

Budući da je potezni moment M p proporcionalan umnošku magnetskog toka i struje, odnosno mijenja se s kvadratom promjene napona, bit će: M 'p

⎛ U = M p ⋅ ⎜⎜ ⎝Un

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

2

Pri konstantnoj brzini vrtnje, ne uzimajući u obzir krivulju protumomenta, nova snaga iznosi: ⎛ U P ' = P ⋅ ⎜⎜ ⎝Un

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

2

Budući da se motor može opteretiti nazivnom strujom, moguće ie povećati snagu u obrnutom omjeru promjene napona, tako da motor nakon zaleta daje snagu:

P '' = P ⋅

U Un

Pri promjeni napona mijenja sc potezni moment, prekretni moment i moment sedla s kvadratom napona. Zahtjeva li se pri manjem naponu mreže od motora isti pokretni moment tereta kao i pri punom naponu, raste struja rotora, jer motor daje traženi moment sve dok se ne prekorači njegov prekretni moment. Veća rotorska struja uzrokuje povećano zagrijavanje. Zbog toga se motor kod prevelikih padova napona pregrijava. Napon U proporcionalan je magnetskom toku Φ , broju zavoja statorskog namota N 1 , i frekvenciji mreže f, odnosno: U = k ⋅ N1 ⋅ f ⋅ Φ

Vidi se da pri porastu frekvencije pada magnetski tok, jer se ni napon ni broj zavoja ne mijenjaju. Obrnuto, rad sa smanjenom frekvencijom uvjetuje povećanje magnetskog toka, što općenito nije dopušteno. Ako se zanemari utjecaj zasićenja, mijenja se i struja praznog hoda obrnuto proporcionalno s promjenom frekvencije.

Potezni moment M mijenja se obrnuto proporcionalno s kvadratom promjene frekvencije, odnosno: ⎛ f ⎞ M 'p = M p ⋅ ⎜ ' ⎟ ⎜ f ⎟ ⎠ ⎝

2

Brzina vrtnje u praznom hodu, a približno i brzina vrtnje pod opterećenjem, mijenjaju se proporcionalno frekvenciji, pa snaga P iznosi:

P' = P ⋅

f f'

Ako se ne uzmu u obzir moguće promjene opterećenja do kojih dolazi zbog promijenjene snage ventilacije pri novoj brzini vrtnje, može se motor opteretiti nazivnom strujom i stoga raditi s nazivnom snagom. Asinkroni motor može se opteretiti nazivnom snagom ako je mrežna frekvencija viša od nazivne frekvencije. Pri znatnijem smanjenju mrežne frekvencije nastupa opasnost da se motor pregrijava zbog lošijeg hlađenja. Prematanjem motora od 50 Hz na 60 Hz i priključivanjem na mrežu frekvencije od 60 Hz dobiva se rast nazivne snage od oko 15%, a ne 20 %, koliko iznosi povećanje frekvencije. To je zbog toga što s porastom frekvencije rastu i gubici u željezu, pa je za taj iznos potrebno smanjiti dobivenu snagu. Ako se promijene napon i frekvencija u istom omjeru, ne mijenjaju se magnetski tok Φ i struja praznog hoda I 0 , tj. vrijedi daje: I 0' = I 0 ⋅

f f

'

⋅

U = I0 Un

odnosno: Φ' = Φ ⋅

I 0' =Φ I0

Ostale vrijednosti struje I ostaju također konstantne, tj. struja kao funkcija postotne vrijednosti brzine vrtnje ostaje nepromijenjena. Na taj način i krivulja momenta kao funkcija promjene brzine vrtnje je konstantna, tj, vrijedi da je: M' =M ⋅

Φ' I ' ⋅ =M Φ I

Nasuprot ovim konstantnim iznosima mijenja sc apsolutna brzina vrtnje proporcionalno frekvenciji. Pri određivanju brzine vrtnje pod teretom, u slučaju promjene napona i frekvencije, treba uzeti u obzir krivulju protumomenta tereta Ako se trofazni asinkroni kavezni motor vrti potpuno neopterećen, tj. u praznom hodu, struja ni u kojem slučaju ne pada na nulu. Tada motor uzima struju praznog hoda I 0 koja u malih motora može iznositi od 40 do 60%, a srednjih i velikih motora od 20 do 30% nazivne struje. Struja praznog hoda sastoji se od dvije komponente: jedne, djelatne komponente, koja služi za pokrivanje gubitaka praznog hoda, i druge, struje magnetiziranja, koja služi za stvaranje uzbude okretnog magnetskog polja i ne obavlja rad. Ta je druga komponenta struja praznog hoda u svakom od tri voda brodske mreže. Ako je motor opterećen nazivnim teretom, tad on uzima iz mreže struju jednaku nazivnoj struji motora ( I = I n ). I ta struja može se rastaviti u dvije komponente: djelatnu, koja je ovisna uglavnom o opterećenju i povećava se s porastom opterećenja, i jalovu, koja raste s porastom rasipnog polja namota. Svaka od tih komponenata utječe na djelatnu, odnosno jalovu snagu motora. Odnos djelatne snage (djelatne struje) motora prema prividnoj snazi (struji brodske mreže) označava se kao faktor snage cos ϕ . Faktor snage pri nazivnom opterećenju ovisi o veličini i naponu motora i iznosi približno 0,75 do 0,90. Veći motori s istim brojem polova imaju bolje faktore snage. Jednako tako, brzohodni imaju bolje faktore snage nego sporohodni. S padom opterećenja smanjuje se faktor snage i osobito je nepovoljan uz opterećenja manja od polovice nazivnoga. Omjer predane i primljene djelatne snage predstavlja korisnost motora \\. Predana snaga jednaka je primljenoj djelatnoj snazi, smanjenoj za ukupne gubitke motora. Korisnost je u širokom području konstantna, tako da je i pri polovici nazivnog tereta zadržan njezin puni iznos. U srednjih trofaznih asinkronih kaveznih motora korisnost iznosi od 0,80 do 0,90, dok kod velikih raste i do 0,95, a kod malih pada do 0,70. Poznavajući faktor snage cos (p i korisnost f}, može se izračunati struja koju motor uzima iz mreže primjenom izraza: I=

P2 3 ⋅η ⋅ cos ϕ ⋅ U

gdje je P2 djelatna snaga na osovini motora. Tipične krivulje opterećenja jednog trofaznog asinkronog kaveznog motora (zatvorene izvedbe, 5 kW, 380 V i 950 r min − 1 ) predočene su na slici .

Krivulje opterećenja trofaznog asinkronog kaveznog motora

Pokretanje trofaznog sinkronog kaveznog motora ostvaruje se izravno i neizravno. Izravno pokretanje ostvaruje se izravnim priključkom statorskog namota na puni napon brodske mreže. Taj način pokretanja (koji je popraćen relativno velikom strujom i mehaničkim trzajem zbog velikog poteznog momenta) na brodu se upotrebljava samo ako odgovara Pravilu o gradnji pomorskih brodova (ograničava ga pad napona u mreži za vrijeme zaleta, snaga i struja pri pokretanju). Budući da je za svaki elektromotor snage od 0,5 kW i više potrebna odgovarajuća naprava za pokretanje i regulaciju, na brodu se i ne rabi izravan način pokretanja. Neizravno pokretanje ostvaruje se različitim napravama koje su ugrađene između statorskog namota i brodske mreže. Sve one imaju zadaću da smanje struje pokretanja gotovih motora (ne mogu sc poduzeti više nikakvi konstrukcijski zahvati), tj. da se motoru dovede smanjeni napon za vrijeme zaleta. S obzirom na brodsku mrežu i uklopne uređaje, struju kratkog spoja pri pokretanju motora moguće je smanjili samo u određenim granicama, jer premala struja kratkog spoja I k djeluje nepovoljno na ostale karakteristike motora. To se u prvom redu odnosi na potezni i maksimalni (prekretni) moment i nazivni faktor snage, dok je neznatan utjecaj na korisnost. Na slici . predočen je u pojednostavnjenom kružnom dijagramu, uz zanemarenje gubitaka, utjecaj struje kratkog spoja I k na maksimalni moment motora. Nazivni i maksimalni moment predočeni su dužinama AB i CD, dok struja praznog hoda I 0 i struja kratkog spoja I k ,. odgovaraju dužinama OE i OF. Omjer maksimalnog i nazivnog momenta tada je: Mm Ik − I0 = M n 2 ⋅ I n ⋅ cos ϕ

Pojednostavljeni kružni dijagram trofaznog asinkronog kaveznog motora

S obzirom na svojstva motora u trajnom radu nije preporučljivo pri projektiranju motora smanjivati struju ispod 4,5 do 5 I n . jcr bi se znatno smanjio potezni moment. Ako prilike u mreži zahtijevaju još manju struju kratkog spoja , tada sc valja poslužiti pokretanjem s pomoću sklopke zvijezda - trokut ili pokretanje obaviti s pomoću transformatora ako to dopušta protumoment radno stroja.. Potezni moment smanjuje se naime s kvadratom smanjenja struje kratkog spoja I k . Označe li se struja kratkog spoja i potezni moment motora u jednom slučaju s I k' i M 'p , a u drugom s I k'' i M 'p' , uz nepromjenjene ostale uvjete, vrijedi : M 'p' M 'p

⎛ I '' = ⎜ k' ⎜I ⎝ k

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

2

Pokretanje preklopkom zvijezda-trokut može se upotrijebiti samo za pokretanje motora namijenjenih za trajni rad u spoju trokut. Osniva se na činjenici da statorski namot spojen u zvijezda-spoj dobiva za 3 puta manji napon nego spojen u trokut-spoj. Proporcionalno naponu smanjuje se i struja, no istodobno smanjuje se i potezni moment, i to proporcionalno naponu na kvadrat. Na slici . shema je spoja preklopke zvijezda-trokut.

Shema spoja preklopke zvijezda-trokut

U trenutku pokretanja motora, prema slici , prebacuje se preklopka iz položaja 0 u položaj Y i zbog toga se statorski namot motora preko kontakata preklopke spaja u spoj zvijezda. Svaka faza tada dobiva za 3 puta manji napon u odnosu prema trokut-spoju. Istodobno je struja pokretanja u spoju zvijezda 3 puta manja u usporedbi sa strujom kod izravnog priključka na mrežu (spoj trokut). To je osnovni razlog zbog čega se veći trofazni asinkroni kavezni motori često pokreću preklopkom zvijezda-trokut. Međutim, budući da je moment proporcionalan kvadratu napona, smanjuje se tim načinom pokretanja također i potezni moment tri puta. Na taj način postignut je lakši zalet (bez trzaja) u neopterećenih ili neznatno opterećenih motora u trenutku pokretanja, ali zbog velikog smanjenja poteznog momenta pri pokretanju, preklopka zvijezda-trokut ne može poslužiti u elektromotornim pogonima gdje je potreban veliki potezni moment. Nakon što je završen zalet motora, prebacuje se preklopka u položaj ∆ , čime se namot motora spaja preko kontakata preklopke u spoj trokut i motor dobiva puni napon. Na natpisnoj pločici motora naznačeni su podaci o nazivnom naponu (to je napon brodske mrerže na koji se motor priključuje) i spoju ( zvijezida ili trokut). Motor namijenjen za rad pri nazivnom naponu u zvijezda spoju ne smije se pnkljnčiti na isti napon spojen u trokut. U tom bi slučaju napon po svakom faznom namotu bio 3 puta veći, što bi izazvalo nedopustivo visoka zasićenja u željezu i pregrijavanje motora. Obratno, motor određen za rad u spoju u trokut smije se priključiti na mrežu istog napona spojenog u zvijezdu. Napon je po fazi pri tome za 3 puta manji. pa motor nije zasićen. Snaga koju motor može tada dati je manja. pa je takav priključak dopušten samo privremeno. Pokretanje preklopkom zvijezda-trokut ispunjava svoju svrhu samo onda kad se motor zavrti u zvijezda spoju do blizu nazivne brzine vrtnje, odnosno kad se radni stroj može rasteretiti. Ako se to ne može postići, motor se nastavi vrtjeti malom brzinom i pri preklapanju nastaje kratkotrajan udarac struje, približno jednak udarcu struje izravnog pokretanja, tako da se ne postiže djelovanje preklopke zvijezda-trokut. Na slici . predočene su karakteristike momenta i struje pri pokretanju preklopkom zvijezda-trokut.

. Karakteristike momenta i struje pri pokretanju preklopkom zvijezda-trokut

Na slici . karakteristike momenta M Y i struje I Y su one kad je preklopka u spoju zvijezda, a karakteristike momenta M ∆ i struje I∆ kad je preklopka u spoju trokut. Preklapanje na spoj u trokut izvršeno je nakon zaleta do u blizinu nazivne brzine vrtnje u spoju zvijezda. Struja preklapanja približno odgovara 1,5-strukoj nazivnoj struji. M t , je karakteristika jednog centrifugalnog kompresora na brodu, koji pokreće trofazni asinkroni kavezni motor. Veći potezni moment pri pokretanju i veći broj stupnjeva pokretanja omogućuje pojačani spoj zvijezda-trokut. U tom se spoju namot motora odvoji u sredini svake faze. Motor ima devet stezaljka za priključak. Moguće je izvesti i više odvojaka, tako da se postigne finija zaletna momentna karakteristika nego kod odvojka samo u sredini namota. Pokretanje s dijelom namota moguće je samo ako je statorski namot za vrijeme nazivnog pogona spojen u dvije ili više paralelnih grana. Pri uključivanju na brodsku mrežu najprije se priključi dio statorskog namota (zaletni namot). Odgovarajućim dimenzioniranjem loga dijela namota smanjuje se struja pokretanja na vrijednost dopuštenu u brodskoj mreži. Nakon pokretanja priključuje se, preko dodatne sklopke paralelno sa zaletnim namotom, preostali dio namota. Treba li potezni moment motora smanjili s obzirom na radni stroj može se uključiti. jcdnofazni otpor (posebno sc dimenzionira) u bilo koji od tri mrežna dovoda. Nakon završenog zaleta otpor sc kratko spaja. Spomenuli spoj često se zove kusa-spoj. Ostali načini pokretanja u kojima sc smanjuje struja dovođenjem manjeg napona statorskom namotu (npr. pokretanje autotransformatorom, s pomoću prigušnice s pomoću statorskog predotpora) također imaju nedostatak, jer se smanjuje potezni moment. Novorazvijeni elektrnički uređaji za "mekano pokretanje" zovu se "soft - start" uređaji i sve više su u uporabi za pokretanje.

Regulacija brzine vrtnje Brzina vrtnje svakom asinkronom kaveznom motoru može se regulirati mijenjanjem jedne od veličina o kojoj ona ovisi, odnosno mijenjanjem jedne od veličina o kojoj ovisi oblik njegove vanjske karaketristike. Iz izraza može se napisali da je brzina vrtnje asinkronog motora: n = ns ⋅ (1− s ) =

f ⋅(1− s ) p

tj. brzina vrtnje može se mijenjati promjenom sinkrone brzine, a ona se mijenja promjenom frekvencije i promjenom broja pari' polova, te promjenom klizanja koje kod određenog momenta tereta ovisi o priključenom naponu.

Promjenom frekvencije brodske mreže mijenja se sinkrona brzina vrtnje okretnog polja, a s tim i brzina vrtnje rotora. Budući daje frekvencija brodske mreže konstantna, takav način regulacije brzine vrtnje dolazi u obzir samo onda ako se između brodske mreže i asinkronog motora uključi pretvornik frekvencije (tiristorski sklop) koji će davati napon promjenjive frekvencije ( U f = konst .). Takva regulacija frekvencijom i naponom omogućuje kontinuiranu promjenu brzine vrtnje u granicama od nule do trostruke nazivne brzine vrtnje, sigurnost regulacije je velika, ali .sklop ima vrlo visoku cijenu, što mu je jedina mana zbog koje se na brodu i ne rabi. Na slici . predočene su momentne karakteristike pri regulaciji frekvencijom i naponom jednog trofaznog asinkronog kaveznog motora, dobivene uz zanemarenje statorskog otpora i rasipne reaktancije. Također se vidi da je maksimalni moment konstantan (s promjenom frekvencije mijenjao se i napon), daje pri manjim frekvencijama potezni moment veći i da je praktički moguće postići potezni moment jednak maksimalnom (prekretnom).

Momentne karakteristike trofaznog asinkronog kaveznog motora pri promjeni frekvencije i napona

Regulacija brzine vrtnje ostvaruje se i promjenom broja pari polova na statoru motora. To se Izvodi na dva načina: s dva neovisna statorsaka namota različitog broja pari polova ili s jednim statorskim namotom koji se prespaja na različite brojeve pari polova. Također je uobičajena može i kombinacija ta dva načina. Ima više mogućnosti spajanja namota kojim se dobiva različiti broj pari polova. Najpoznatiji je Dahlaaderov spoj, koji daje promjenu broja pari polova u odnosu 1 : 2. Kod tog odnosa broja pari polova, statorski se namot spaja u razne spojeve, čime se postiže npr. ili konstantna snaga, ili konstantni moment kod obje brzine vrtnje, ili obje različito. Preklapanje broja pari polova izvodi se specijalnim preklopkama. Preklopka za Dahlanderov spoj vidi se na slici :

Preklopka za Dahlanderov spoj

Motori kojima se mijenja brzina vrtnje promjenom broja pari polova zovu se polnopreklopivi. Njihove izvedbe mogu biti s: - j ednim namotom u Dahlanderovom spoju za dobivanje dviju brzina vrtnje u odnosu 1:2; - dva odvojena namota za dvije po volji uzete brzine vrtnje; - jednim namotom u Dahlanderovu spoju ijednim odvojenim namotom za tri brzine vrtnje od kojih su dvije u odnosu 1:2; - dva namota u Dahlanderovu spoju za četiri brzine vrtnje od kojih su dva para brzina u odnosu 1 : 2. Pogodno je da se polno-preklopivi motori pokreću s uključenim većim brojem pari polova (manjom brzinom), a nakon toga prespajaju na manji broj polova (veću brzinu vrtnje). Na taj način smanjuju se gubici pri, pokretanju. Također, pri zaustavljanju s veće brzine vrtnje, prvo sc uključi namot na manju brzinu vrtnje, a tek nakon njezina postizanja isključuje sc motor s mreže. U području između veće i manje brzine vrtnje elektromotorni pogon generatorski koči. Na slici . predočene su snimljene momentne i strujne karakteristike dvobrzinskog motora koji je čest na brodu. Uočava se da se s promjenom brzine vrtnje mijenja potezni moment i maksimalni (prekretni) moment. Ako broj pari polova raste, odnosno brzina vrtnje pada, raste potezni i maksimalni moment motora. lako je brzina vrtnje skokovita, regulacija brzine vrtnje je ekonomična i vrlo jednostavna

Karakteristike dvobrzinskog motora Regulacija brzine vrtnje trofaznog asinkronog kaveznog motora dade se postići promjenom klizanja, odnosno promjenom priključenog napona. U tom slučaju momentna karakteristika motora ima oblik kako se vidi na slici . Promjena napona U 1 , na U 2 = 1 2 U 1 pri istom teretu M p uvjetovala je promjenu klizanja od s1 na s 2 .. Također se može zaključiti da će se klizanje na laj način moći mijenjati samo u granicama od s = s n do s = s m jer bi kod tog posljednjeg klizanja maksimalni moment bio jednak momentu tereta. Pri daljnjem snižavanju napona moment tereta bio bi veći od maksimalnog momenta, pa bi motor stao. Regulacija brzine vrtnje trofaznog asinkronog motora promjenom napona, uz spomenuto ograničenje područja regulacije, skupo je, ali ima prednost u tome što se može brzina vrtnje regulirati kontinuirano, za razliku od regulacije preklapanjem broja pari polova.

Momentna karakteristika trofaznog asinkronog motora pri promjeni napona

Normalni smjer vrtnje motora je udesno, gledano s pogonske strane. Postiže se priključivanjem stezaljka motora U , V , W u priključinoj kutiji na faze mreže L1 , L2 , L3 . Smjer vrtnje može se promijeniti zamjenom dvaju mrežnih priključaka (npr. L1 i L2 }. Motori koji imaju pločicu sa strelicom za smjer vrtnje na ležajnom štitu ili oplati motora smiju se vrtjeti samo u označenom smjeru. U motora gdje je potrebno reverziranje, tj. promjena smjera vrtnje, dugo se rabila dvopolna ili tropolna preklopka za reverziranje. U suvremenim elektromotornim pogonima to se danas obavlja ugradnjom sklopnika za reverziranje .

. Trofazni asinkroni kolutni motor Kolutni asinkroni motor (ili motor s namotanim rotorom) uglavnom se gradi kao trofazni. Rotorski namot takva motora izveden je po istim načelima kao što je izveden i njegov statorski namot, a broj faza i broj pari polova statorskog i rotorskog namota je jednak. Fazni namoti rotora spajaju se u spoj zvijezda ili u spoj trokut. U spoju zvijezda počeci namota spojeni su na tri klizna prstena, a krajevi su namota kratko spojeni. U spoju trokut svršetak namota jedne faze spojen ie s početkom namota sljedeće faze itd.. a spojna mjesta vezana su na klizne prstene (kolute). Po prstenima klize četkice smještene u držačima tako da četkice i klizni prsteni zatvaraju strujni krug rotorskog namota preko tzv. rotorskog pokretača koji se postavlja izvan motora. Da bi se smanjili električni i mehanički gubici, a četkice se ne bi nepotrebno trošile, u nekim izvedbama kolutnih motora izvodi sc uređaj za kratko spajanje namota na kliznim prstenima i za podizanje četkica nakon što pri pokretanju motor dostigne nazivnu brzinu vrtnje. Tipični trofazni asinkroni kolutni motor za napon od 380 V, frekvencije od 50 Hz koji se ugrađuje u brod prikazan je fotografijom na slici .

Trofazni asinkroni kolutni motor

Pojednostavljeni montažni crtež takva trofaznog asinkronog kolutnog motora predočen je na slici

:

Montažni crtež trofaznog asinkronog kolutnog motora Trofazni asinkroni kolutni motori prikladni su ondje gdje nisu dopušteni veliki udarci struje pokretanja, gdje su teški uvjeti pokretanja koji zahtijevaju veliki potezni moment motora i gdje je potrebna kontinuirana regulacija brzine vrtnje u uskom području bez posebnih izvora promjenjive frekvencije. Da bi sc smanjio strujni udarac u brodskoj mreži pri pokretanju kolutnog motora, potrebno je povećati otpor u njegovu rotorskom krugu. To se obavlja tako da se u seriju sa svakim faznim namotom rotora uključi po jedan vanjski otpornik. Ako je otpor faznog namota R 20 pa se u seriju doda vanjski dodatni otpor R2d bit će ukupna vrijednost otpora R 2 po fazi koja određuje karakteristike motora: R 2 = R 20 + R 2d

Veličina struje u rotoru I 2 , linearno je ovisna o naponu na koji je motor priključen (a njemu je proporcionalan napon u fazi rotora E 20 ), ali je ovisna i o omskom otporu R20 i reaktanciji

Xσ 2 .

Promijeni li se otpor u rotorskom krugu, budući da sc nije promijenila

vrijednost reaktancije Xσ 2 dobit će se jednake vrijednosti struje kod drugih vrijednosti klizanja, tj. uvijek onda kad omjer R s bude isti:

R 20 R 2 = s0 s

Ista struja koja se dobila bez dodatnog otpora. samo uz otpor namota R20 , i uz klizanje s 0 , dobit će se i pri otporu povećanom na vrijednost R2 s klizanjem s koje je povećano u istom omjeru: s : s 0 = R2 : R20

Karakteristika koja prikazuje struju I 2 ovisno o klizanju prema slici . predočuje kako povećanje otpora u rotorskom krugu s R20 , na R2 smanjuje strujni udarac pri uključivanju zaustavljenog motora na mrežu. Ako se želi da taj udarac struje uz klizanje s = 1 ne prijeđe vrijednost npr. I k koja bi se normalno pojavila uz neko klizanje s", treba ukupni otpor u rotorskom krugu povećati na takvu vrijednost R2 da bude: 1: s = R 2 : R 20

Ovisnost rotorske struje o otporu i klizanju kolutnog motora Uključivanjem otpora R2d u rotorski krug mijenja se i njegova momentna karakteristika, kako je predočeno na slici . Uz poznatu momentnu karakteristiku pri otporu R20 koji ima sam namot rotora, dobit će se karakteristika za bilo koji drugi ukupni otpor R2 u krugu rotora, tako da će se za svaku vrijednost momenta rasti klizanje u omjeru povećanja otpora:

s = s0 ⋅

R2 R 20

Utjecaj otpora na momentnu karakteristiku kolutnog motora

Prema slici . očito je da se dodavanjem otpora u rotorski krug povećava potezni moment M p sve do vrijednosti maksimalnog (prekretnog) momenta M mp koji uz. otpor R 20 nastupa pri maksimalnom (prekretnom) klizanju s m . Želi li se da maksimalni moment nastupi pri klizanju s = 1 , valja povećati rotorski otpor do vrijednosti: R 2 = R 20 ⋅

1 sm

Veličina potrebnog dodatnog otpora R2d za traženi potezni moment M p željeno klizanje s dade se odrediti s pomoću klizanja s n (normalno ili nazivno pogonsko klizanje motora pri poteznom momentu) i otpora rotorskog namota R2 : R 2d = R 2 ⋅

s − sn sn

R 2d = R 2 ⋅

1− sn sn

Pri pokretanju je s = 1 , pa je :

Treba li npr. trofazni asinkroni kolutni motor s nazivnim klizanjem 5% pokretati s nazivnim momentom, dobiva se : R 20 = R 2 ⋅

1 − 0.05 = 19 R 2 0.05

Ako se ne može očitati s natpisne pločice motora rotorska struja I 2 ona se približno izračunava iz predane djelatne snage P2 (W ) , rotorskog napona u stanju mirovanja U 20 (mjereno između dva klizna prstena) i korisnosti η : I2 =

P2 3 ⋅ U 20

⋅

2 1+η

Pojava da se uključivanjem otpora u rotorski krug smanjuje struja pokretanja i povećava potezni moment, iskorištena je za pokretanje trofaznih asinkronih kolutnih motora. S pomoću tzv. pokretača (uputnika, upuštača) namješta se otpor rotorskom krugu, i to obično u stupnjevima, a rjeđe kontinuirano. Načelna shema spoja trofaznog asinkronog kolutnog motora s ručnim pokretačem prikazana je na slici .

Spoj trofaznog kolutnog asinkrog motora s ručnim pokretaćem

Da bi sc ispravno pokrenuo trofazni asinkroni kolutni motor. važno je da poluga pokretača bude u nultom položaju (otpor R2 je maksimalan). Jer tada četkice prilježu na klizne prstene, a uređaj za kratko spajanje je isključen. Nakon što se sklopkom spoji statorski namot na mrežu, postupno se isključuju otpori pokretača. Zbog čega se rotor pokrene i ubrzava, što se kontrolira ampermetrom ili pak sluhom. Kad je rotor postigao nazivnu brzinu vrtnje okreće se poluga uređaja za kratko spajanje (kratko se spoji namot rotora) i podizače se četkice podignu iznad kliznih prstena da sc ne troše trenjem. Nakon toga se rotorski pokretač vrača u početni položaj. Budući da je pokretač dimenzioniran za kratkotrajan rad, tj. za vrijeme pokretanja, ne smije se ni jedan stupanj otpora ostaviti spojen duže vremena u rotorskom krugu jer bi izgorio. Trofazni asinkroni kolutni motor zaustavlja se na laj način da se sklopkom isključi s mreže, a zatim okrene poluga podizača četkica, kako bi četkice ponovnu prilegle na klizne prstene, a rotorski namot i slobodno se odspoji iz kratkog spoja.

Uz pravilno dimenzionirane dodatne otpore u rotorskom krugu kreće motor npr. s nazivnim momentom i istodobno uzima iz mreže samo nazivnu struju. Najčešće se pokretači ugađaju lako da motor razvija potezni moment jednak 50%, 100% ili kod teških zaleta 200% nazivnog momenta. Pri pokretanju motora pokretač sc obično postavlja lako da se održi srednji potezni moment i odgovarajuća srednja struja. Pri puštanju u pogon trofaznog asinkronog kolutnog motora treba paziti da se odmah nakon uključenja statorske sklopke rotorski pokretač dovede u stupnjevima u pogonski položaj. Pri zaustavljanju motora moraju sc statorska sklopka i rotorski pokretač isklopiti neposredno jedan iza drugoga. Da bi se spriječile pogreške u pogonu, preporuča se mehanički ili električki (npr. zaštitom) povezati sklopku i rotorski pokretač. Brzina vrtnje opterećenog trofaznog asinkronog kolutnog motora dade sc smanjiti uključivanjem otpornika u rotorski strujni krug, i to samo za one kojima su četkice i rotorski otpornik dimenzionirani za trajan rad. Brzina vrtnje može se regulirati samo u području ispod nazivne brzine vrtnje, a finoća regulacije ovisi o broju stupnjeva otpornika i o odgovarajućem opterećenju. Da bi se pravilno dimenzionirali otpornici za pokretanje R2d mora biti poznata momentna karakteristika radnog stroja. Iznos otpora toga otpornika izračunava se primjenom izraza: R 2d =

U 20 3U2

⋅

n s − n sm M n ⋅ ns M nm

gdje je U 20 napon rotora između kliznih prstena u stanju mirovanja (V), n sm smanjena brzina vrtnje (r min-1), a M sm moment pri smanjenoj brzini vrtnje (Nm). U motora s vlastitom ventilacijom pogoršava sc hlađenje ako se smanjuje brzina vrtnje. Planiranu regulaciju brzine vrtnje treba uzeti u obzir pri dimenzioniranju motora ili se mora smanjiti njegova nazivna snaga. Pri regulaciji brzine vrtnje motora od prirodne brzine vrtnje pod opterećenjem n na smanjenu brzinu vrtnje n sm smanjuje se korisnost na iznos koji se približno računa prema izrazu: η sm = η ⋅

n sm n

gdje je η korisnost bez dodatnih otpora u rotorskom krugu.

Gubici i korisnost trofaznog asinkronog motora Nadomjesna shema na slici mora zadovoljavati i energetske odnose u trofaznom asinkronom motoru. Umnožak m2 ⋅ I 22 ⋅ R2 = m2 ⋅ ( I 2' ) 2 ⋅ R2' izražava gubitke Joulove topline u rotorskom namotu. tj. električnu snagu Pe . Budući da je otpor R 2 ⋅

1− s s

u nadomjesnoj shemi

fiktivan i u pogonskom stanju asinkronog motora ne postoji, može se zaključiti da su gubici Joulove topline u tom fiktivnom otporu

m 2 ⋅ I 22 ⋅ R 2 ⋅

1− s s

ekvivalent za mehaničku snagu Pm

koju motor razvija. Može se napisati da je : Pe = Pm

m2 ⋅ I 22 ⋅ R2 s = 1− s 1− s m2 ⋅ I 22 ⋅ R2 ⋅ s

Temeljem gornjeg izraza dolazi se do zaključka da se kod asinkronog motora snaga preko okretnog magnetskog polja prenosi iz statora u rotor preko zračnog raspora, dijeli se na električnu i mehaničku u omjeru s: (1-s). Rastom klizanja (s) raste udio električne energije u rotorskom krugu i sve je manja pogonska snaga pa je: Pokr = Pe + Pm = Pe + Pe ⋅

1− s s

Iz ove relacje slijedi: Pe = s ⋅ Pokr Pm = (1 − s ) ⋅ Pokr Osim otpora rotorskih namota mogu se u rotorski krug preko kliznih koluta uključioti dodatni djlatni otpor R2d. Električna snaga utrošena u rotorskom namotu predstavlja gubitak i uvjetuje zagrijavanje rotora. Nasuprot tome el. snaga utrošena u dodatnom otporu može se korisno upotrijebiti i ona ne grije motor ( el. grijanje). Ukupni gubici asinkronog mpotora su: Pg = PCu1 + PFe + PCu 2 + P2 d + Pt + v Gdjeje: PCu – gubici u bakru statora; PFe – gubici u željezu statora; PCu2 – gubici u bakru rotora; P2d - snaga koja se uzima preko kilznih koluta; Pt+v – snaga pretvorena u gubitke trenja i ventilacije.

Mehanička snaga na osovini asinkronog motora je: P2 = P1 − Pg

a korisnost se računa prema izrazu:

η=

P1 − Pg P1

= 1−

Pg P1