ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑ1ΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ 2012 Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και ' συγχρνυ αυτματισμυ Πτυχιακή Εργασία των σπυδαστών Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά ' Υπεύθυνι Καθηγητές Κ. Αλαφδήμς Κωνσταντίνς v Ι\Τ 1 1ωλάυ Γρηγόρις ' ' lf \ ΒΙΒΛΙΟΘ ΗΚ Η -~ ι ΠΕ \ Ρ Α\Α l..:...::-~_: :.::..-----
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό 1δρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΗΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗ ΠΛΟΙΩΝ 1. 1 ΟΡΙΣΜΟΣ... 4 1.2!ΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ... 6.. J.3 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΠΛΟ!ΩΝ... 8 2. ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΗΛ ΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗ 2.1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΚJΝΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΩΣΗΣ... 15 2.2 Κ!ΝΗΤΗΡΕΣ ΑΞΟΝΙΚΗΣ ΡΟΗΣ... 17 2. 3 ΠΟΛΥΒΑ ΘΜ101 ΚJΝΗΤΗΡΕΣ ΕΓΚΛΡΣΙΑΣ... 18 ΡΟΗΣ ( TRANSVERSE FLUX MOTORS )...'... 18 2.4 ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΟΙ ΚJΝΗΤΗΡΕΣ ΑΞΟΝΙΚΗΣ... 19 ΡΟΗΣ ( AXIAL FLUX MOTORS)... 19 2.5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 21 2.6 ΤΕΧΝ!ΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚJΝΗΤΗΡΩΝ ΠΡΟΩΣΗΣ Ε.Ρ.... 27 2.7 ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ ΕΛJΚΑ - ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΠΡΟΩΣΗΣ... 30 2.8 ΕΛΙΚΑ ΣΤΑΘΕΡΟΥ ΒΗΜΑΤΟΣ.... 31 2.9 ΕΛΙΚΑ ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΥ ΒΗΜΑΤΟΣ... 32 2. 10 ΤΟ ΑΖJΜΟΥΘΙΑΚΟ ΠΡΟΩΣΤΗΡJΟ ΣΥΣΤΗΜΑ (POD)... 33 3. ΠΛΕΟΝΕ ΚΤΉΜΑΤΑ - Μ ΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤ Α ΗΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗΣ 3.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ... 35 1 3.2 ΜΕΙΟΝΕΚΤΉΜΑΤΑ...... 36 3.3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΆΤΩΝ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΆΤΩΝ.... 37 nτuχ:ακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά 1 ΒΙΒΛΙΟ ΘΗΚΗ ι, -Ει ΠΕΙΡΑΙΑ
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγ ικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 4. ΧΕΙΡΙΣΤΗ Ρ ΙΑ ΚΙΝΗΤΉΡΑ Π ΡΟΩΣΗΣ 4. 1 ΓΕΝ ΙΚΑ... 39 4.2 Δ!ΑΓΡΑΜΑ ΡΟΗΣ ΤΟΥ ΚΛΕΙΣΤΟΎ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΜΆΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ... 41 4.3 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΜΑΚΕΤΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΧΕΙΡΙΣΤΗΡΙΟΥ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΣΤΡΟΦΏΝ... 43.4.4 ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟ ΣΧΕΔΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ... 44 4.5 ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΟΥ... 48 4.6 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ PLC... 60 5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑ ΦΙΑ... 67 2 Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης κα ι στρφών πλίυ, με χρήση κλασσ ικύ κ αι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλ γικό Ε κπα ιδευτικό Ί δρυμα Πειρα ιά - Τμή μα Αυτματισμύ 1. ΗΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗ ΠΛΟΙΩΝ π;υχιακ ή Ε ργασία Άγα Ηλ ία & Χαψ ή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινη τήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσ ικύ κα ι σύγχρνυ αυτμαησμύ Ανώτατ Τεχνλ γι κό Εκπαιδευτ ικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμή μα Αυτματισμύ 1.1 ΟΡΙΣΜΟΣ Ως ηλεκτρπρόωση ρίζεται τ είδς εκε ίν της πρόωση ς στ πί ι άξνες τυ πλίυ κινύντα ι απ ' ευθείας (ή και σπανιότερ α μ έσω με ιωτή ρων) από ηλεκτρικύς κινητήρες και όχι από άλλες μηχανές όπως ντίζελ, αεριστρόβιλυς και ατμστρόβιλυ ς. Φυσικά ι κινητήρες ντίζελ, αεριστρόβιλι και ατμστρόβιλ ι εξακλυθύν να υπάρχυν στις εγκαταστάσε ις ηλεκτρπρόω<!11, αλλά αντί να κινύν απ ' ευθε ίας τ αξνικό σύστημα μ ε την έλικα κ ινύν ηλεκτρ ικές γεννήτριες, πυ μ ε τη σειρά τυς τρφδτύν τυς ηλεκτρικύς κ ινητή ρες πρώσεω ς, τυ ς πίυς μπρύμε να τυς συναντήσυ με κα ι σαν " pι-ίιηe ιηνeι s" ('κινητήρ ιες μηχανές' ). Η πρωστήρ ια εγκατάσταση συμπληρώνεται από κάπι σύστημα ελέγχυ για τν χειρισμό τη ς, δηλαδ11 την κράτησηεκκίνηση, την αυξμε ίωση στρφών και την αλλαγή φράς περιστρφή ς των η λεκτρ ικώ ν κινητήρων. Επίση ς πρ έπε ι να τνιστε ί ότ ι η επιλγ ή συστήματς η λε κτρπρόωση γ ια ένα πλί, πρσφέρ ε ι πε ρ ισσότερη ελευθ ερία στη σχεδίαση και στην επιλγή των υπσυστημάτων και της δ ιάταξη ς όλη ς τη ς πρωστήριας και ηλεκτρική ς εγ κατάσταση ς. Σε κάοε περίπτωση αξ ίζε ι να σημε ιωθεί, ότι ι η λεκτρικί κινητήρ ες ε ίναι η μόνη λύση για τη βηθητική πρόωση (δηλ. τ σύστημα των πλευρικών πρωστήριων μηχαν ισμών πυ επαυ ξάνυν την ελικτ ι κή ικανότητα των σκαφών ιδίω ς εντός των λιμένων) με αξιπίηση κυρίως επαγωγ ικών κινητήρων μεγάλη ς ισχύς (0.5-2.5 MW). Τέλς δ εδμέ νη ς της ραγδαίως αναπτυ.σσόμενης έρευνας επί των η λεκτρπρωστηρίω ν συστημάτων, είναι αναγκαί να διευκρινισθύν ι παρακάτω βασικί όρι πυ χρησιμπιύντα ι συχνά σαν ρλγίες :./ Πλήρης Ηλε κτρ πρόωση (Full Electric Propulsion F.E.P.): Η εγκατάσταση πρώσεως κατά την πία τ πλί κινε ίται απκλε ιστ ικώς από η λε κτρικύς κινητήρ ες. Τα ζεύγη κινητηρίων μηχανών-γεννητριών πυ τρφδτύν τυς κινητήρες πρώσεως, υπάρχυν απκλε ιστικώς για τ σκπό αυτό (δεν τρφδτύν άλλα φρτία). Η η λε κτρική ισχύ ς γ ια όλυς τυς άλλυς καταναλωτές τυ πλίυ παράγετα ι από άλλες γεννήτριες. 4,/ Ολκληρωμένη Πλήρη ς Ηλε κτρπρόωση (Integrated Fιιll Electric Propulsion - I.F.E.P.) : Πτυχιακή Ε ργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλ ίυ, με χρήση κλασσ ικύ κα ι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπα ιδευτικό 1δρυμα Πειρα ιά - Τμήμα Αυτματισμύ Η εγκατάσταση ηλεκτρπρόωσης στην πία τα ίδια ζεύγη κινητηρίων μηχανών - γεννητριών, τρφδτύν τόσ τυς η λε κτρ ικύς κινητήρ ες πρώσεως, όσ και τα υπόλιπα η λεκτρικά φρτία τυ πλίυ. Πλήρως Εξη λεκτρ ισμέν πλί ( Α ΙΙ Electric S tιip - A.E.S. ) Τ πλί πυ διαθέτε ι λκληρωμένη πλήρη η λεκτρπρόωση και πυ επ ιπλέν σε ευρ ε ία έκταση επιτελεί τις λε ιτυργίες τυ μ έσω η λε κτρικών μηχανημάτων και συστημάτων../ Ηλε κτρικό δ ίκτυ πρώσεως (Propιιlsion Network) Τ τμήμα εκε ίν (ανεξάρτητ ή ' ενσωματωμέν ' ) τυ η λε κτρ ικύ δικτύυ πλίυ πυ τρφδτεί τα η λεκτρικά φρτία πυ σχετίζνται μ ε την πρόωση../ Ηλεκτρικό δίκτυ χρήσεως (Ship Service System) : Τ υπόλιπ, πλην δικτύυ πρώσεως, η λεκτρικό δίκτυ τυ πλίυ. 5 πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, μ ε χρήση κλασσικύ κα ι σύ γχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 1.2 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Η η λεκτρική πρόωση έχε ι αρχίσει να εφαρ μόζεται πριν από περίπυ 55 χρόνια. Επί μεγάλ διάστημα, τα συστήματα ήταν τυ τύπυ Σ. Ρ. /Σ.Ρ. (συχνά συστήματα Ward-Leona.-d) δηλ. παραγωγή συνεχύς ρεύματς και κίνηση μ ε συνεχές ρεύμα. Τ εναλλασσόμεν ρεύμα αρχίζει να χρησιμπιείται στα πλία στ ις αρχές της δεκαετίας τυ 1950, αλλά τα συστήματα η λεκτρικής πρόωσης εξακλυθύν να στηρίζνται σε κινητήρες Σ.Ρ. Κατα την τελ~ταία ε ι.κσαετία, η ανάπτυξη διατάξεων και τεχνικών ελέγχυ κινητήρων Ε.Ρ (η λεκτρνικά ισχύ ς), πυ να ικανπιύν τις απαιτήσε ις της πρόωσης από πλευράς τόσ ευ ελ ιξ ίας όσ και ικνμίας καυσίμυ, έδωσε τη δυνατότητα για ευρύτερη διάδση της ηλεκτρική ς πρόωσης σε ε μπρικά πλία. Ενώ παλαιότερ α η ηλεκτρική πρόωση έβρισκε μόνν πλύ εξε ιδικευμένες εφαρμγ ές (παγθραυστ ικά, ερευ νητικά σκάφη, σκάφη πόντισης καλωδίων), κατά τη δεκαετ ία τυ '90 παρυσιάζει μια έντνα αυξανόμενη διάδση σε πλία όπω ς μεγάλα επ ιβατηγά, χηματαγωγά, κρυαζ ιερόπλια, δεξαμενόπλια, κ.λπ.. Γεν ικά, η η λεκτρική πρόωση μπρ εί να απδ ε ιχθ ε ί η καταλληλότερη λύ ση στ ις ακόλυθες κατηγρίες εφαρ μγών: α. Σκάφη μ ε υψηλές απαιτήσεις ελ ικτικών ικαντήτων. β. Σκάφη μ ε μεγάλη ισχύ βηθητικών μηχανημάτων. γ. Σκάφη μ ε μεγάλα φρτία ενδιαίτηση ς και έντνη διακύμανση τη ς ισχύς πρόωσης. δ. Σκάφη εξπλισμένα με πλλές ταχύστρφες μη αναστρ έψιμες μηχανές. ε. Υπβρύχια και βαθυσκάφη. Οι κύριες αιτ ίες τη ς αναζωπύρωσης τυ ενδιαφέρντς των πλεμικών ναυτικών γ ια τη χρήση τη ς η λε κτρπρόωσης είνα ι :../ Η αύξηση των η λεκτρικών καταναλωτών στα πλ ία και η τάση για την 'ηλε κτρπίηση' των πλίων (με απκρύφωση τ Πλήρω ς Εξη λε κτρισμέν Πλί-ΑΗ El ec tι-ic Ship-AES), δηλαδή η τάση όλες ι λε ιτυργίες, κύριες και βηθητικές, να γίνντα ι πλέν από 6 ηλεκτρ ικά συστήματα κα ι μηχανήματα (αντικαθ ιστώντας π.χ. υδραυλικά, μη χανικά ή συστήματα ατμύ κ.λπ.). Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεvχς κ ινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύvχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ../ Η ανάγκη γ ια περισσότερ 'αθόρυβη ' λε ιτυργία των πλίων.../ Η αναζήτηση πρωστήριων συστη μάτων με χαμηλότερ κόστ ς ζωή ς και μ ε ιωμένες απα ιτήσε ις επανδρώσεως.../ και κυρίως η ωρίμανση τεχνλγ ιών πυ απαιτύνται για να αξιπιηθεί τ πλήρες δυνα μ ικό της η λε κτρπρόωσης. Τέτιες τεχνλγίες ε ίναι κυρίως των η λεκτρικών κινητήρων κα ι των η λεκτρνικών ισχύς για τν έλεγχό τυς. πτuχ:aκή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγ ικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 1.3 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΠΛΟΙΩΝ : ΓΕΝΙΚΑ Τ γενικευμέν η λεκτρλγ ικό διάγραμμα ενός η λεκτρικύ δ ικτύυ πλίυ μ έ ηλεκτρ ική πρόωση απεικόνίζεται στ Σχήμα 1. Τ σύστημα ηλεκτρπαραγωγή ς μπρ εί να είναι ενιαί καλύπτντας όλες τις η λεκτρ ικές ενεργε ιακές ανάγκες ή μπρεί να απτελε ίται από δύ επ ιμ έρυς υπσυστήματα, αυτό της ηλεκτρπρόωση ς κι εκε ίν των λ ιπών ηλεκτρικών φρτίων. Σε πλία με συμβατική πρόωση, ε ιδική υππερίπτωση απτελύν τα συστήματα παραγωγή ς η λεκτρ ική ς ενέργειας πυ περιλαμβάνυν και γεννήτριες άξoνα- s hafi ge n e ι a toι s (εξαρτημένες δηλαδή γεννήτριες πυ στρέφνται από την κύρια ντιζελμηχανή πρόωση ς τυ πλίυ). Οι γεννήτριες αυτές μπρ ε ί να συνδένται με τ υπόλιπ ηλεκτρικό δίκτυ με σύνδεσμ ΣΡ (DC link) ή να τρφδτύν αυτόνμα μόν μ εγάλα φρτία όπω ς ι κινητήρες βηθητικής πρόωσης (thωs ters). μεγάλη ς έ κταση ς ζημιά Ενίτε, σε έκτακτες περ ιπτώσε ις (π.χ. στην κύρια μηχαvή) μπρύν να λε ιτυργήσυν και αντίστρφα, δηλ. ως ηλεκτρικί κινητήρ ες πρόωσης (τρφδτύμενες από τις άλλες ηλεκτργεννήτρ ιες) περιρισμένης ισχύς και να δηγήσυν τ σκάφς σε ασφαλή πρρισμό. a. Κινητήρια μηχανή (ντιζελκ ινητήρας ή αεριστρόβιλς) b. Σύγχρνη γεννήτρια c. Μετασχηματιστή ς ισχύ ς d. Μετατρπέας συχνότητας e. Πιεστήρις κινητήρας f. Έλικα g. Λιπά φρτία (αντλίες, συμπιεστές, φωτισμός, εργάτες κλπ) 8 Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λuκά
---- Ανώτατ Τεχνλγ ικό Εκπαιδευτι κό Ίδρυ μα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ Αυτό ματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτ ματι σ μύ,., σ a b e f ΚύιJ,ωμα ελέγχυ Σχήμα 1. Γεν ικό διάγραμ μ α συστήματς ηλεκτρ ικής ενέργε ιας πλ ίυ Σημαντικά διαφ ρετικό ε ίναι τ η λε κτρικό σύστημα τη ς νέας γε νιάς υπβρυχίων στα πία η ηλε κτρική ενέργε ια παράγεται από κυψέλες καυσίμυ (fuel cells) (και απθηκ~εται συστιχίες συσσωρευτών ΣΡ) για να τρφδτήσει καταναλώσεις ΣΡ αλλά και ΕΡ μ έσω μετατρπέων ΣΡ/ΕΡ. Ηλε κτργ εννήτρ ιες ΕΡ πυ κινύνται με κινητήρες ντίζελ υφίστανται μ ε ν, αλλά δ εν απτελύν την κύρια πηγή παραγωγή ς η λεκτρική ς ενέργε ιας. Σε κάθε περίπτωση όμως, ι κινητήρ ες πρόωση ς είναι ΕΡ. a. Κυψέλη καυσίμυ (fuel cell) b. Συστιχία μπαταριών c. Μ ετατρ πέας ΣΡ /ΣΡ d. Μ ετατρπέας ΣΡ/ΕΡ e. Πρωστήρις κινητήρας f. Έλικα g. Φρτία ΣΡ ί. Φρτία ΕΡ G - ΤΕ Ι ΒΙ ΒΛΙ ΟΟ Η Κ Η ΠΕΙΡΑΙ Α πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό lδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ b g ί f Κύκλωμα ελέγχυ Σχήμα 2. Γενικό διάγραμμα συστήματς ηλεκτρικής ενέργειας πλίυ με κυψέλες καυσίμυ. : ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ Όπως αναφέρθηκε ι επ ιλγές για τ σχεδιασμό των σύγχρνων συστημάτων η λεκτρπρόωσης είναι πλλές και κάθε μία μπp εί να πρσαρμστεί στις ανάγκες και τν ρόλ τυ συγκεκριμένυ πλίυ. σχεδιασμός ενός σύγχρνυ συστήματς η λεκτρπρόωσης μπρεί να αναλυθεί στην επιλγή λύσεων σε επ ιμέρυς ζητήματα, πυ είνα ι : Ο ι Τ είδς των κινητήριων μηχανών. Ντήζελ, Αεριστρόβιλι. (ειδικά για πι αθόρυβη λειτυργία), Ατμστρόβιλι (ειδικά για πυρηνκίνητα σκάφη), Συσσωρευτές ή και Ηλεκτρχημικές Κυψέλες Καυσίμυ (Fuel-Cells) (για τα υπβρύχια). π. Τα χαρακτηριστικά τυ ηλεκτρικύ δικτύυ, όπως τ είδς (DC, AC) και η τιμή της τάσης παραγωγής και διανμής της ηλεκτρικής ισχύς (πυ υπαγρεύεται κυρίως από τις απαιτήσεις ισχύς πρώσεως και τη διαθεσιμότητα παρελκόμενυ ηλεκτρλγικύ εξπλίσυ (καλώδια, μνωτικά, διακόπτες πίνακες κ.λπ.). 10 πι Ο αριθμός κα ι τ είδς των γεννητριών. Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λuκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ IV. Η παράλληλη ή μη λειτυργία των γεννητριών. V. Τ πσστό αυτματ ισμύ στη λε ιτυργία, φόρτωση, παραλληλισμό κα ι κράτηση των γεννητριών. VI. VII. VIII. Ο αριθμός και τ είδς των κινητήρων πρώσεως. Τα λε ιτυργικά χαρακτηριστικά πυ εξετάζνται είναι η μ έγ ιστη ισχύς, όγκς και τ βάρς ανά μνάδα ισχύς, μ έσς χρόνς μ εταξύ επ ισ κευών κα ι βλαβών και η απδτικότητα (βαθμός απδόσεως). Τ είδς ελέγχυ-χειρισμύ των κινητήρων πρώσεως. Τ είδς των στατών μετατρπέων. ΙΧ. Η σχεδίαση τη ς διάταξης τυ ηλεκτρικύ δικτύυ και συγκεκριμένα : J. Θα υπάρχει διάκριση ανάμεσα στα η λεκτρικά φρτία τυ πλίυ, άρα και στα ηλεκτρικά δίκτυα, σε φρτία πρώσεως και στα λιπά. Τ ζή τημα έχε ι να κάνει και με τ βαθμό εξηλεκτρισμύ τυ πλίυ καθώς η σχέση τυ ηλεκτρ ικύ δ ικτύυ πρώσεως μ ε τ ηλεκτρικό δίκτυ χρήσεως μπρεί να ε ίναι μία από τις παρακάτω : Α. Να ε ίναι τελείως ανεξάρτητα, δηλαδή τ καθένα να εξυπηρετε ίται από δικές τυ γεννήτριες κα ι να μη συνδ ένται μ εταξύ τυς ή αν υπάρχε ι δυνατότητα σύνδεσης, αυτή να είναι μόν για κατάσταση ανάγκης. Β. Να ε ίναι διακριτά, αλλά να υπάρχει σύνδεση μ εταξύ τυς πότε τ ένα από τα δύ να μπρεί να τρφδτείται και από τ άλλ. c. Να είναι ενπ ιημένα σε ένα κινό η λεκτρικό δίκτυ, πότε δηγύμαστε στ «πλήρως Εξηλεκτρισμέν πλί» (AES), πότε και είνα ι δυνατή η βελτιστπίηση τη ς εκμετάλλευσης των πλενεκτημάτων της ηλεκτρπρόωσης. 2. Στην περίπτωση πυ τb. δύ δίκτυα συνδέντα ι, η επιλγή τυ τρόπυ σύνδεσης (απευθείας μέσω πινάκων, μ έσω αντ ιστρφέων ( inveγteγs) ή άλλυ μετατρπέα η λεκτρνικών ισχύς (conνe ι teι ), μ έσω ζεύγυς κινητήρα-γεννήτριας, μ έσω μ ετασχηματιστών κ.λπ. ). π~υχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλ ε γχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπα ιδ ευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 3. Από πι δίκτυ τρφδτύνται τα βηθητικά συστήματα πρώσεως (π.χ. τα συστήματα ελέγχυ χειρ ισμύ, ψύξης, λίπανση ς ). 4. Ο τρόπς μ ε τν πί διασφαλίζεται η 'πιότητα ισχύς' τυ η λεκτρικύ δικτύυ όσν αφρά την τάση κα ι την συχνότητα, (θόρυβς-αρμνική παραμόρφωση) και ε ιδικά τυ δικτύυ χρήσεως, όταν αυτό συνδέεται μ ε τ δίκτυ πρώσεω ς. Σαν κύρ ια πηγή δημιυργίας αρμνικών αναφέρνται τα ηλεκτρνικά ισχύς των ηλεκτρκινητήρων. Η π.ιότητα τ:ων η λε κτρικών δικτύων (συχνότητα, αρμνικές τάσεως, ταχείες διαταραχές τάσεω ς κ.λπ.) καθρίζεται από τις διάφρες πρδιαγραφές και νηγνώμνες. Οι πρδιαγραφές αυτές αφρύν μόν τ δίκτυ χρήση ς τυ πλίυ, δηλαδή φρτία πυ δεν σχετίζνται μ ε την πρόωση. Στις περιπτώσε ις ανεξαρτήτυ δικτύυ πρώσεως δεν υπάρχυν πρς τ παρόν ιδιαίτερες απαιτήσεις πιότητας για τα φρτία τη ς πρόωσης. Αν όμως τ ηλεκτρικό δίκτυ είναι ενπιημέν πρέπει ή και τ δίκτυ τη ς πρώσεως να ικανπιεί τ ις ίδιες απαιτήσεις πιότητας, ή να λαμβάνεται μέριμνα, ώστε τυχόν 'δ ιαταρ αχές' στ δίκτυ πρώσεως να μην ' διαδίδνται' στ δίκτυ χρήσεως. Για δίκτυα Συνεχύς Ρεύματς δεν υπάρχυν ακόμη έν γένε ι ιδιαίτερες απαιτήσε ις πιότητας. 5. Η διάταξη τέλς τυ ηλεκτρικύ δικτύυ πρέπε ι να μ εγ ιστπιε ί την βιωσιμότητα τυ πλίυ. Χ. Ελάχιστες απαιτήσεις σε καταστάσεις ανάγκης αντιμετώπιση. Για παράδε ιγ μα μπρεί να απαιτείται εκκίνηση κινητι1ρα πρώσεως μ ε μια μόν γεννήτρια σε λε ιτυργική κατάσταση, η δυνατότητα τρφδότησης τυ ενός δικτύυ από τ άλλ, η δυνατότητα ενός μόν κινητή ρα να μπρεί να κινήσει τ πλί μ ε μ ια ελάχιστη ταχύτητα, ή να απαιτείται ι (η) γεννήτριες(α) να μπ ρύν(εί) να τρφδτύν( εί) τα φρτία ανάγκης και ταυτόχρνα να κινήσυν( ε ι) τ πλί μ ε μια μικρή ταχύτητα (35 knots). ΧΙ. Ο τρόπς δράσης των μηχανημάτων, καθώς και (φυσικός) διαχωρισμός τυς, όπως για παράδειγμα των πινάκων ηλεκτρικύ δικτύυ πρώσεως και χρήσεως, των κινητήρων πρώσεως και των ηλεκτρνικών διατάξεων δήγησής τυς. Ως γενικί κανόνεςαπαιτήσεις αναφέρνται : 12 Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ - Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Π ειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ l. αν υπάρχε ι αρκετός χώρς πρέπει ι πίνακες πρώσεως και χρήσεως να διαχωρίζντα ι φυσ ικά. 2. ι κινητήρες κα ι ι αντ ίστιχι αντιστραφ ε ίς (inνe r-te r-s) πρέπε ι να τπθετύνται σε διαφρετ ικύς υδατστεγύς τμ είς. 3. ι μ ετατρπείς (conνe 11:ers) πρέπε ι να τπθ ετύνται κντά στα1,)ς κ ινη τήρες γ ια να μ ε ιώνεται τ μήκς των καλωδίων. 4. τπθέτηση των κ ινη τή ρων (πυ φυσικά υπαγρ εύ ετα ι από την διάταξη των αξόνων) όσ πι πρύμα γίνεται. Χ ΙΙ. Όπω ς αναφέρθηκε ήδη σημαντικό πλενέκτημα τη ς ηλεκτρπρόωση ς ε ίναι η ευχέρεια πυ παρ έχε ι στ σχεδιαστή σχετικά μ ε τη διάταξη των υπσυστημάτων τη ς. Έτσι ε ίναι δυνατό ι γεννήτριες να τπθετηθύν σε π ιαδήπτε απόσταση από τυς κινητήρες, σχεδόν πυ δήπτε στ πλί, αρκεί να μη ν παραβιάζντα ι κλασσικί κανόνες πυ σχετίζνται μ ε την ευστάθεια τυ πλίυ, την ισκατανμή των φρτίων στ πλί, την ακυστική.υπγραφή και την ευκλία επ ισκευή ς. nτuχιακ~ Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 2. ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗ 14 Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωση ς και στρφών πλίυ, μ ε χρήση κλασσικύ κα ι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό lδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 2.1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΩΣΗΣ Η πλεινότητα των κ ινητήρων ε ίναι σύγχρνι, ι πί ι έχυν βαθμό απόδσης 96-98%, υψηλότερ κατά 3-4/από τν βαθμό απόδση ς κινητήρων επαγωγής. Η νμαστική τάση λειτυργίας στις εγκαταστάσεις μέσης κα ι μεγάλης ισχύς είναι 3,3-6,6 kv. Στυς σύγχρνυς κινητήρες έρχετα ι να πρστεθεί μία νέα κατηγρία αυτή των σύγχρνων κινητήρων με μόν ιμ υς μ αγνή τες των πίων η απόδση σύ μφωνα με τυς κατασκευαστές τυς υπερβαίνει τ 98%!! Σε αυτές τις σύγχρνες μηχανές, τ τύλιγα διεγέρσεως τυ δρμέα (πυ διαρρέετα ι από συνεχές ρεύμα) έχει αντικατασταθε ί από μόνιμυς μαγνήτες. Τ απτέλεσα ε ίναι τ ίδι καθώ ς και στις δύ περ ιπτώσε ις παράγ εται ένα ηλεκτρμαγνητικό πεδί σταθερής τιμής πυ στρ έφεται στ χώρ μ ε την ταχύτητα τυ δρμέα. Τ πρφανές πλενέ κτημα των μηχανών αυτών είνα ι ότι δεν έχυν ανάγκη παρχής σε Σ Ρ, ενώ μ ε τν τρόπ αυτό αυξάνεται κα ι η συνλ ικ11 απόδση καθώς μεταξύ των άλλων μειώννται κα ι ι συνλικές απώλειες Joule στα τυλίγ μ ατα. Η ιδέα τη ς χρή ση ς μ νίμων μ αγνητών ε ίναι παλιά αλλά η τεχνλγική πρόδς τα τελευταία χρόνια είνα ι πυ κατέστησε δυνατή την κατασκευή κραμάτων " μνίμων μαγνητών" (κράματα σαμαρίυ-κβαλτίυ, Sm-Co καινεβιδίυ - σιδήρυ-βρείυ, NdFeB) πυ έχυν τη δυνατότητα να διατηρύν σταθερή τη μ αγνήτισή τυς για αρκετά υψηλές θερμκρασίες, όπω ς- είναι αυτές πυ αναπτύσσντα ι στ εό-ωτερικό μίας στρεφόμ ενη ς μηχανής, Σχ. 3 και 4. Οι κ ινη τήρες αυτί μ ε κατάλληλη επ ιλγή τυλίγ μ ατς στάτη κα ι πόλων δρ μ έα μπρ ύ ν να παράγυν ημ ιτνε ιδές ηλεκτρμαγνητικό πεδί συναγωνίζντας έτσι μ ία συμβατ ική σύγχρνη μηχανή στα χαμηλά επίπεδα απότ μ ων αιχμών ρπή ς (toι qu e r ipples) κα ι μηχανικών δνήσεων (νibrat i o n s). Τα τελευταία χρόνια ερευνάται η χρησιμπίηση ηλεκτρικών κ ινητήρων με υπεραγώγιμα υλικά ως κινητήρες πρόωσης, κυρίως στην Α μ ερ ική. Ο ι κ ινητήρες αυτί, λόγω τυ ότ ι τ υπεραγώγ ιμ υλ ικό παρυσ ιάζει μη δεν ική η λεκτρ ική αντίσταση σε πλύ χα μη λές θερ μκρ ασίες, έχυν πλύ μ εγάλη ισχύ ανά μ νάδα όγκυ σε σύγκριση με τυς συ μ βατ ικύς κ ινητήρες. Θεωρύνται έτσι ιδαν ικί για την πρόωση πλύ μικρών πλίων όπυ χώρς ε ίνα ι περιρισμένς σε συνδυασμό με τις αυξη μένες ανάγκες ισχύς. Η εταιρεία American Sype ι co nductor lnc. χρηματδτείται από τ Αμερικανικό Πλε μ ικό Ναυτ ικό γ ια να κατασκευάσει έναν κινητήρα πρόωσης ν μ αστική ς ισχύς 25MW. πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λuκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγ ικ ό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Π ειρα ιά - Τμήμα Αυτματισμύ 450 Μ.,. 400.:ιt. - 350 u 300 ::::ι 'Ό 250... Q. 200 >.... cn 150 (!) 100 ι: ιu 50 )( 111 :Ε -+-SnrCo Nd-Fe-B SnrTM... ~ "q, ~t>. "Οι ~< "~ ~η,,,05 ~ro,oj RιC) "q) l>< ~Oj Rι~ "Q) Year Σχήμα 3. Εξέλιξη τεχνλγίας μνίμων μαγνητών τα τελευταία 30 χρόνια -(") Ε 400 --"'"') ~ 300 u ::::1 'σ -+- S mco e 200 a.. --Ncl-Fe-B >- ΟΙ... 100 Sm-Trv1 Q) c: ω >< ('Ο 50 100 ~ 200 300 400 500 550 Tem ρ (C) Σχήμα 4. Επιδόσεις μνίμων μαγνητών ως πρς τη θεκρασία μαγνήτισης 16 Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & ΧαΨri Λυκά
Αυτόματς έ λεγχς κινητήρα πρόωσης κα ι στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ Μόνtμι ~ΙαnΨεc στ ριιέα,,' ' ' ' α β '( Σχήμα 5. Διατάξεις σύγχρνων κινητήρων με μόνιμυς μαγνήτες α) ι μόνιμι μαγνήτες στην εξωτερική επιφάνεια τυ δρμέα β) ι μόνιμι μαγνήτες στ εσωτερικό τυ δρ μέα γ) ι μόνιμι μαγνήτες στ εσωτερικό τυ δρμέα με διεύθυνση ρή ς εγκάρσια στν άξνα. 2.2 ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΞΟΝΙΚΗΣ ΡΟΗΣ Πρ όκειται για κ ινητή ρες στυς π ίυς η ωφέλιμη μ αγν η τική ρή ε ίνα ι κατά την ακτινική διεύθυνση δηλαδή όπως στις συνή θε ις συμβατικές ηλεκτρ ικές μηχανές. Αντιπρσωπευτ ικές περιπτώσεις τέτιων κιν η τήρων είνα ι κινητήρας PERMASYN της εταιρείας SIEMENS, μ ε μόνιμυ ς μαγνήτες Sm-Co πυ β ρίσκει εφαρμγές πρόωσης μεταξύ άλλων σε υπβρύχια τυ ΠΝ. Ένας άλλς τύπς η λεκτρικύ κινητήρα πρόωσης είναι Εξελιγ μένς Επαγωγικός Κινητήρας (Adνanced Induction Motor-AIM) τη ς ALSTOM, πίς έχει επιλεγεί γ ια την πρόωση τη ς φρεγάτας (Type 45) τυ Βρετανικύ Πλεμικύ Ναυτικύ. Π ρσφ έρε ι υψηλή πυκνότητα ισχύς και ρπής σε σύγκριση μ ε έναν συμβατικό επαγωγιιςό κινητήρα ίδιας νμαστ ικής ισχύς. Η διαφρά μ ε τν κινό 3-φασικό επαγωγ ικό κ ινητήρα ε ίναι ότ ι πρσφ έρ ε ι την δυνατότητα λειτυργίας με 5, 1 Ο ή 15 φάσε ις χρη σιμπ ιώντας τις αρμνικές τυ μαγνητικύ πεδίυ μ ε την βήθεια εξελιγ μένων ηλεκτρνικών ισχύς γ ια να αυξη θεί η ισχύς τυ κ ινητήρα. Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λσυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τ εχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 2.3 ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΕΓΚΑΡΣΙΑΣ ΡΟΗΣ ( TRANSVERSE FLUX MOTORS) Οι κινητήρες αυτί έχυν μόνιμυς μαγνήτες στ δρμέα, πρσανατλισμένυς μάλιστα κατά τέτι τρόπ ώστε η μαγ νητ ική ρή να ρ έε ι μέσα στ διάκεν σε διεύθυνση εν μ έρε ι κατά την αξνική διεύθυνση και κυρίως κάθετη-εγκάρσια πρς τν άξνα τη ς μηχανή ς, βλ. Σχ. 6. Σχήμα 6. Κινητήρας εγκάρσ ιας ρή ς 18 Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσ η ς και στρφών πλίυ, με χρ ήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό 1δρυμα Πειραιά - Τμ ήμα Αυτματισμύ 2.4 ΠΟΛ ΥΒΑΘΜΙΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΞΟΝΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ( AXIAL FLUX MOTORS) Οι κινητήρ ες αυτί έχυν μόνιμυς μ αγνήτες στν δρμ έα, πρσανατλισμ ένυς κατά τρ όπ ώστε η μαγνητ ική ρ ή να ρέε ι σε διεύθυνση παράλλη λη πρς τν άξ να τη ς μηχανή ς (αξ νι κή) Σχήμα 7. Μηχαν11 αξνικής ρής ΙΙRΟΝ DISC rι ιχ ~ 1 11 r ι: ιι ια ΙΙ ~ 'iτ /\IΛC/\f.r 1 l :'< 'fι.:rm l! l> IΛ11' 111J fl011 1 - snt l" l~ql'l J ()k04 DΛL C<1U ~ Ι. 1'DJ~<: C'<> ΙΙ.. Σχήμα 8. Κάθ ετη τμή κινητήρα αξν ικής ρής μ ε 4 σπνδύλυς (modulcs) πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλ ία & Χαψή Λ u κά ΤΕΙ ΒΙΒΛ Ι ΟΘΗΚΗ ΠΕΙΡΑΙΑ
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ί δρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ ι ao!f c ιιr: i'tatoi t EC1'0R: Σχή μα 9. Διάταξη στάτη απτελύμενυ από 4 επιμέρυς σπνδύλυς κινητήρα αξνικής ρής ΛC sιι f'rιv Σχήμα 1 Ο. Διάταξη μετατρπέα συχνότητας κινητήρα αξνικής ρ1ίς 20 Πτυχιακή Εργασία Άγα Η λία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλε γχς κινητήρα πρόωση ς και στρφών πλ ί υ, μ ε χρήσ η κλασσ ικύ κα ι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τε χνλγ ικό Εκπαιδ ε υτικό Ίδρυμα Π ε ιραιά - Τμήμα Αυ τματισμύ 2.5 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Στις εγκαταστάσεις Ε. Ρ., στις πίες η συχνότητα τυ πα ρ αγμένυ ρεύματ ς είναι σταθερή, η συνεχή ς ρύθμιση τη ς ταχύτητας περ ιστρφή ς τυ η λε κτρκινητήρα πρόωση ς (και επμένως της έλικας) ε ίναι δυνατή εάν αυτό ς τρφδτηθ ε ί όχι απ' ευθ ε ίας από τ δίκτυ αλλά από δ ιάταξη μετατρπή ς τη ς συχνότητας. Η διάδση τη ς η λεκτρικίίς πρόωση ς κατά.τα τελευταία έτη ίσως δεν θα ήταν δυνατή χωρίς τυς μ ετατρπε ίς αυτύς. Η θ ε μελιώδη ς διάταξη μ ετατρπή ς είναι η γέφυρα 6 -παλμώ ν (αν ρθωτή ς αλλά και κυρίως αντιστρφ έας). Ωστόσ γ ια μ ε ίωση των αρ μνικώ ν παραμρφώσεων κατασ κευ άζνται πι σύνθετες δ ιατάξε ις. Έτσι ένας αντιστρφέας 12 παλμών απτελείται από δύ αντιστρφ ε ίς 6 παλμών, των πίων ι αντίστιχες φάσε ις έχυν γωνιακή δ ιαφρά 30 μίρες. Σε σύγχρνες ναυπηγήσε ις αξιπιύνται πρς τ παρόν έως και γέ φυρες 24 παλμών. Ακλυθ ε ί μία συνπτική περιγραφή ευρ έως χρησιμπιύμενων μ ετατρπέων η λε κτρνικών ισχύς:../ Ζεύγη ανρθωτών - αντιστρφέων SPWM Στις διατάξε ις αυτές, αρχικά γ ίνεται ανόρθωση από ΕΡ σε ΣΡ και στη συνέχεια αντιστρφή από ΣΡ σε ΕΡ. Στν σύνδ εσμ ΣΡ (DC-link) μεταξύ των δύ μ ετατρπέων παρ εμβάλλεται κάπι στιχε ί πυ διατηρ ε ί σταθε ρή την τάση ή τ ρεύμα πυ παρ έχε ι μ ετατρ πέας, όπως εξηγείται στη συνέχε ια βλ. και Πίνακα 1: a) Πηγές ρεύματς (CSI Current Source lnverters) με SPWM: στ DC-link παρεμβάλλεται πηνί πυ διατηρε ί τ ρεύμα τρφδσίας σταθε ρό με απτέλεσμα μετατρπέας ε μφανίζεται να λε ιτυργ ε ί ως πηγή (σταθ ερύ) ρεύματς. b) Πηγές τάσεως (VSI Voltage Source Inverters) με SPWM: στ σύνδεσμ ΣΡ παρεμβάλλεται πυκνωτή ς πυ διατηρεί την τάση τρφδσίας σταθε ρή με απτέλεσμα μ ετατρπέας να ε μφανίζεται ότι λε ιτυργε ί ως πηγή (σταθ ερή ς) τάσεως, ---- -~ -~- -- Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλ ία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης κ αι στρφών πλ ίυ, με χρήση κλασσ ικύ κ αι σύγχρνυ αυτ ματισμύ Ανώτατ Τεχνλ γ ικό Εκπα ιδε υτικό ~δρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ c) Συγχρμετατρπείς (sync lιro-convertcrs) ή LCI (Loa(I Commutated lnverters, LCI): πρόκειται για ε ιδική περίπτωση μ ετατρπέα πηγής ρεύματς (CSI) στην πία όμως ι διακόπτες ισχύ ς σβήνυν μόνν μ ε τη βήθεια τυ φρτίυ τυ ς. Τ χαρακτηριστ ικό αυτό απτελεί τ κύρι πλενέ κτημά τυς καθώ ς δεν απαιτύνται επιπλέν βηθητικά κυκλώματα σβέσεως. Βρίσκυν εφαρμγή σε πρωστήρια συστήματα μ ε σύγχρνυς κινητήρες μεγάλη ς ισχύς../ Κυκλμετατρπε ίς (cycloconverters) Με τις διατάξεις αυτές επιτυγχάνεται απευθείας μ ετατρπή από μία μρφή ΕΡ συγκριμένυ πλάτυ ς και συχνότητας σε άλλη μρφή ερ διαφρετ ικύ πλάτυς και συχνότητας. Στην περίπτωση των πρωστήριων συστημάτων πλίων, λαμβάνε ι χώρα υπβιβασμός συχνότητας (από 50/60 Hz σε 2-3 Hz). Η απλή περίπτωση ενός τριφασικύ κυκλμετατρπέα 6 παλμών (6- παλμικός) απτελείται από 36 ελεγχόμενυς διακόπτες ισχύς, 12 γ ια κάθ ε φάση, βλ. Σχ. 11-12. Σε κάθε φάση αντιστιχύν δύ γέφυρ ες διακπτών (g και ) με 6 διακόπτες η κάθε μία, βλ. Σχ. 12. Η μία γ έφυρα είνα ι υπεύθυνη για τη δημιυργία της κυματμρφής κατά τη θετική ημιπερίδ και η άλλη κατά την αρνητική. Στις γέφυρες ε ισέρχνται όλες ι φάσε ις ε ισόδυ. Αντιπαράλληλα πρς τυς δ ιακόπτες ισχύς, εν γένε ι, συνδένται και δίδι ισχύς για να κυκλφρύν αντίστρφης φράς ρεύματα πρστατεύντας τυς ελεγχόμενυς διακόπτες (στ Σχήμα 12 έχυν παραλε ιφθεί για λόγυς απλότητας). Η τεχνική ελέγχυ αγωγής των διακπτών ισχύς μπρ ε ί να π ικίλλει και σε αυτήν την περίπτωση, ωστόσ έχει επικρατήσε ι μία αντίστιχη μέθδς της ημιτν ειδύς διαμόρφωσης εύρυς παλμών των αντιστρφέων SPWM. Στην περίπτωση αυτή, τ επιθυμητό σήμα σε μία φάση εξόδυ συγκρίνεται μ ε τις τάσεις όλων των φάσεων εισόδυ και στα σημεία πυ εξισώννται (σημεία τμής των κυματμρφών), παράγνται σήματα αλλαγής κατάστασης των αντίστιχων διακπτών ισχύς. - Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλ εγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγ ικό Εκπαιδευτικό lδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ l\im.i Α _-4_...,_... +----.. ~ 8 -CSUP'fl\f..._......,......,... ~ C-...,..._...-+--~--t ~~ -- --~ - ---r--~~~----- - --~ Σχήμα 11. Μνφασικό κύκλωμα (δ μικό στιχεί) κυκλμετατρπέα,--------------------------------------------,. ' Λ J R 3 Β ι..ι ""-. Α 3 Β,_ 2 ~ ' ' t ' s ιι ( '~ 2 1 4 3 Η ( 2 Τ Σχήμα 12. Τυπ ικός τριφασ ικός κυκλμετατρπέας 6 παλμών. Με Α, Β, C συμβλίζνται ι τρε ις φάσεις εισόδυ ενώ με R, S, Τ ι τρεις φάσεις εξόδυ. Οι φάσεις εξ?δ υ μπρεί να συνδεθύν στ φρτί σε συνδεσμλγία Υ ή Δ. πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λuκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλlυ, με χρήση κλασσι κύ κα ι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλ γ ικό Ε κπαιδευτικό 1δρυμα Π ειρα ιά - Τμήμα Αυτματισμύ Ένας κυκλμ ετατρπέας 12 παλμών απτελε ίται από δύ Κυ κλμετατρπ ε ίς 6 παλμ ών των πίων ι αντίστ ιχες φάσε ις έχυν γωνιακή δ ιαφρά 30 μηρών. Η δ ιαφρά αυτή επ ιτυγχάν εται μ ε τη χρήση ενός μ ετασχηματ ιστή μ ε δύ δευτερ εύντα τυλίγ ματα από τα πία τ ένα είναι σε συνδεσμλγία κατά Υ ενώ τ άλλ κατά Δ. Οι έξδ ι τυ κυκλμετατρπέα 12 παλμών μπρε ί να τρφδτύν ε ίτε ένα απλό τριφασ ικό τύλιγ μ α κινητή ρα, βλ. Σχήμα 13, ε ίτε τ διπλό τρ ιφασικό τύλιγμα ενός ε ιδικύ τύπυ κινητήρα, Σχή μα 14. Μ ε τν τρ όπ αυτό επιτυγχάνεται περ α ιτέρω μείωση των αρμνικών παραμ ρφώσεω ν. Σχήμα 13. Κυκλ μ ετατρ πέας 12 παλμ ών πυ τρφδτε ί τριφασ ικό κ ινητήρα Σχήμα 14. 24 Κυ κλ μετατρπέας 12 παλμών πυ τρφδτεί 2Χ3 φ -κινητήρα(τα δύ τρ ιφασ ικά τυλίγ ματα είναι σε γωνία μεταξύ τυς π.χ. 30 μίρες ) Πτυχιακ ή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόμα τς έλεγχς κινητήρα πρόωσης κ αι στρφών πλίυ, μ ε χρ ήση κλασσι κύ κα ι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Π ε ιραιά - Τμήμα Αυ τματισμύ Οι Κυ κλμ ετατρπε ίς πλενε κτύν στ ότι παράγυν κυματμρφές μ ε πλύ μικρή παραμόρφωση αλλά ε ίναι πλυδάπαν ες δ ιατάξε ις μ ε πλλύς δ ιακόπτες ισχύς ενώ κατά τη μ εταγωγή των δ ιακπτών απαιτε ίται αυξημένη ακρ ίβ εια συντνισμύ από τα κυκλώματα ελέγχυ. Μιτρειδείς μετατρπ ε ίς (matrix converters): Πρόκειται γ ια εναλλακτική αλλά πι γενικευμένη διάταξη των κυκλμετατρπέων πυ ενδεχμένως να επικρατήσε ι καθώς δίνει τη δυνατότητα σε όλες τις φά.σε ις εξόδυ να τρφδτηθύν απευθείας από όλες ης φάσεις ε ισόδυ κατά τρόπ πυ καθρ ίζεται με ακρίβεια από τ κύκλωμα ελέγχυ. Η υσιαστική διαφρά από τυς Κυκλμετατρπείς ε ίναι στν αλγόρ ιθμ ελέγχυ εναύσεως / σβ έ σεως, πυ ακόμη βρίσκεται σε ερευνητικό στάδι και επιτρέπει σε κάθε στιγμή την αντιστρφή ακλυθίας τω ν φάσεω ν εξόδυ σε σχέση μ ε τ ις φάσεις ε ισόδ υ καθώς και την τρππίηση των γωνιακών απκλίσεων μ εταξύ των τάσεων εισόδυ και εξόδυ μ ε σκπό τη ρύθμιση των συντελεστών ισχύς και στις δύ πλευρ ές. Πρς τ παρόν καμιά τέτια δ ιάταξη δ εν έχε ι ενσωματωθ ε ί σε πργράμματα ανάπτυξης για πρωστήρ ιες διατάξεις ηλεκτρικών κινητήρων λόγω τεχνλγικών αδυναμιών υλπίηση ς, παρόλ πυ σε διεθνή συνέδρια έχυν πρταθ ε ί αξιόλγες μ έ Οδι ελέγχυ (π.χ. μ έθδς Venturini) με πλύ θετικές πρπτικές. Παρόμια με τυ ς κυκλ μετατρπείς, ι μ εταγωγές καταστάσεων ( από αγ ωγή σε σβ έ ση κα ι τ αντίστρφ) των η λε κτρνικών διακπτών ενέχυν τν κίνδυν βραχυκυκλωμάτων μεταξύ των φάσεων. Ησ ό ~ Α Ο>----+""----.'=ι--..'-._ Β c Σχήμα 15. Μιτρειδής μετατρπέας -Πτυχιακή Εργασ ία 'Αγα Ηλ ία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης κα ι στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτι κό Ί δρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ Πίνακας 1. Συγκεντρωτική παρυσίαση διατάξεω ν η λεκτρνικών ισχ;ύς για η λεκτρική πρόωση. Μ εταrρ;rέας Διάrαζη Μέγ ιστη ισχί>ς Κυριαρχύσες Α νρθωτή; ==0= >6 ΛΙΥΑ 6.n. fί Αvnσrpφέσ.ς CS! 1 :\f\;a (3ktl}.r. Ανnσrρφέσ..; LC! >30 :\f\"a (3ktl).f 0.1νnσrρφέας VSI 2 :\f\ά (3ktl).f 0 Αντιστρφέα; ΡΠ'Μ 2 :\f\ά (IGBT) 6 :\f\'a GTO) 2. n.ί, 6.n.f,±(2.p+l).f 0 Κυκί.μετσ.φ;ιέσ.ς >30 ί\f\ 'Α n=l,2,1,... lr-2,.j,6,... p=0,1,1,1,... f,=σvχι>όrητα aσόδv f.=σv'fl όnιra εξόδυ 26 Πτυχιακή Ε ργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λuκά
Αυτόματς έ λ εγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσ ικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπα ιδευτικό Ί δρυμα Π ειραιά - Τμήμα Αυτματισμ~ύ-- 2.6 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΠΡΟΩΣΗΣ Ε.Ρ. Ο έλεγχς τη ς ταχύτητας και τη ς ρπή ς ενός κινητή ρα Ε Ρ ε ίναι αρκετά πι σύνθ ετς από την περίπτωση των κινητήρων ΣΡ, όπυ η ρπή, Μ, πρκύπτε ι ως μία πσότητα ανάλγη τυ γ ινμένυ τυ ρεύματς τυλίγ μ ατς διεγέρσεω ς (πεδίυ), IF και τυ ρεύ ματς τυλίγ ματς τυμπάνυ, IA: M=k.IF.IA όπυ k σταθ ερά πυ εξαρτάται από τα κατασκευαστικά χαρακτηρ ιστικά τη ς μηχανής. Στη συνέχε ια ακλυθεί μία συνπτική πε ριγραφή όλων των με θό δ ων ελέγχυ κ ινη τήρων ΕΡ μ ε έ μφαση σε αυτές πυ εφαρμόζνται σε κ ινη τήρες η λεκτρπρόωσης. ~ Βαθμωτός έλεγχς ανικτύ ή κλε ιστύ βρόχυ V/F (scalar control): Μη εφαρμόσιμς στην περίπτωση τη ς πρόωση ς απλά ως αναφρά δίνεται η επιθυμητή μηχανική ταχύτη~ας χωρίς να λαμβάνεται μέτρηση τη ς πραγματικής ταχύτητας. Η τάση μεταβάλλεται αναλγικά πρς την επιθυμητή ταχύτητα σε μία πρσπάθε ια να μην μ εταβάλλεται η ρπή. Σε μία παραλλαγή αυτής της μ εθόδυ, λαμβάνεται μέτρηση τη ς πραγματική ς ταχύτητας πυ συγκρ ινόμενη μ ε την επιθυμητή ταχύτητα παράγε ι ένα σήμα σφάλματς. Τ σήμα αυτό δηγ είται σε έναν ελεγ κτή Ρ Ι και παράγεται κατάλληλ σήμα εναύσεω ς των διακπτών ισχύων. Τ ίδι σήμα ρυθμίζε ι και την τάση σε μία πρσπάθεια να μην μεταβάλλεται η ρπή στν άξνα. ~ Έλεγχς με SPWM και CSI (μαζί με συγκριτές υστερήσεως): Η στιγμιαία τ ιμή τυ ρεύματς εισόδυ ελέγχεται συνεχώς ώστε να κυμαίνεται μμεταξύ δύ ριακών τιμών κατωφλίυ. Σε κάθ ε πρσπάθε ια τυ ρεύ ματς να υπερβεί τα όρια αυτά, παράγεται σήμα από τν ελεγ κτή PWM πυ δίνει εντλή στυς διακόπτες να άγυν κατά τέτι τρόπ ώστε να αναιρ εθεί η εν λόγω πρδιάθεση τυ ρεύ ματς. Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλ ία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινη τ ήρα πρόωσ η ς κ αι στρ φών πλίυ, μ ε χρήση κλασσ ικύ και σύ γχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Π ε ιρα ιά - Τμήμα Αυτματισμύ ~ Δ ιανυσματικός έλεγχς (vector control): Όπως πραναφέ ρθηκε, έλεγχς γίνεται όπω ς στη μηχανή Σ Ρ ξένη ς διεγέρσεως, όπυ η ρπή, Μ, πρκύπτει ω ς μία πσότητα ανάλγ η τυ γινμένυ τυ ρεύματς τυλίγματς διεγέρσεω ς (πεδ ίυ), lr και τυ ρεύματς τυλίγματς τυμπάνυ, IA: M=K.IF.IA Στην μηχανή ΣΡ όμως τα δύ ηλεκτρμαγνητικά πεδία ε ίναι σταοε ρά στ χώρ και σε 90 μίρ ες μ εταξύ τυς. Αντ ιθέτως, στις μηχανές Ε Ρ, τα πεδία αφενός στρ έφνται και αφετέρυ η μ εταξύ τυς γ ωνία μεταβάλλεται με τις μεταβλές στις φρτίσεις. Ε ίναι όμω ς μαοηματικά δυνατόν, να απσυζευχθύν τα ρεύματα στάτη και δρμ έα σε ένα πλαίσι αναφράς πυ στρ έφεται ε ίτε με την ταχύτητα τυ δρμέα ε ίτε με π ιαδήπτε άλλη ταχύτητα κατά τρόπν ώστε να Ο εωρηούν ακίνητα. Κάθ ε ρεύ μα φάσεως αναλύ εται σε δύ επιμ έρυς διανυσματικές συν ιστώσες, τη συν ιστώσα ευθ έω ς άξνα (direct axis, d) κα ι τη συνιστώσα εγκαρσίυ άξνα ( quadiatuι e axis, q). Οι συνιστώσες αυτές ε ίναι κάθ ετες μ εταξύ τυς κα ι διατηρύνται ακίνητες ω ς πρ ς τ στρεφόμεν πλαίσι αναφράς. Σημ ειώνεται ότι ε νώ αυτός μαθηματικός μετασχηματισμός απσύζευξης ήταν γνωστός.εδώ και 50 χρόν ια τυλάχ ιστν, η υλπίησή τυ, όμως μ ε η λεκτρν ικά κυκλώματα σε πραγ ματικό χρόν πε ριστρφή ς των κινητήρ ων κατέ στη δυναηί μόλις τα τελευταία 15 χρόνια. Η μεθδλγία τυ μ ετασχηματισμύ απσύζευξη ς δ ιαφέρ ε ι με τν τύπ της μη χανή ς (σύγχρνη 11 ασύγχρνη) όπως εξηγε ίται και στη συνέχεια. Γενικά έχυν αναπτυχθ ε ί διάφρ ες παραλλαγές, ανάλγα μ ε την ε κλγή τυ στρ εφόμ ενυ πλαισίυ αναφράς από τις πίες η πλέν διαδεδμ ένη ε ίναι η μ έθδς ελέγχυ με πρσανατλισμό στ διάνυσμα της πεπλεγμένη ς ρής τυ δ ρμ έα ή έλεγχς πεδ ίυ (field control), πυ αναλύεται στη συνέχε ια. );;:>- Έλεγχς π εδ ίυ (field control) Ως πλαίσι αναφράς εκλέγετα ι αυτό πυ στρέφεται μ ε τ δ ιάνυσμα της πεπλεγμένης ρής τυ δρμέα, βλ.σχήμα 16. 28 Πτυχιακή Εργ ασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυ κά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμ ύ Ανώτα τ Τεχνλγικό Εκπαιδ ε υτικό Ίδρυμα Π ειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ qr qιnr ~ \ \ 1 \ " ' 1 \ \ \ s / dn1r ~ _. dr ds (d,.q,): xί.uimo u\uoo11iί, στύ.η\ ( ut.. LV)ΙN) (dr.qr): ;τ).u (σι ιl\ U qloι 'ltj~δι'qjjίιj jοfj'οοόμι. \ 'Ο μι flji' ruf.\ιn1τu rιι όρμίu) (d~qm,) : πjjlίσω u 1'α~'ΙΙ>ι'\((; μ u fι 1 1 n 1. 1j~,-.0 1.; δι'\\.!μίu ~ σψε.ψ\}jj( \\) μι ΠJ\' ru;(\iπ) TU ΠJ.; μ u~tnt..ψ j'<ο Ι \; f\)\ Ι ~Ίϋμtu ). Σιψ ιrip ίιτrw11η σύγχpνtι~ μt)χ<j\' Ι).;. ru πj.α i σιu (d,.q,) t.uι (dm.,qm,) mιμ.t i.-t\m'. Σχήμα. 1 6. Πλαίσια αναφράς για διανυσματικό έλεγχ κινητι1ρων 13Ρ Ο δ ιανυσμ ατ ικός έλεγχς πεδ ίυ τυ κ ινητή ρα δ ιακρίνεται πε ρα ιτέρω σε ά μ εσ κα ι έμμ εσ έλεγχ. Σύ μφωνα με τη μ εθδλγία τυ άμεσυ ελέγχυ η μ αγνητική ρή πρσδιρίζετα ι είτε με απευθείας μ έτρηση τη ς, είτε με χρή ση μαθηματ ικύ μντέλυ μαγνητική ς ρής. Αντιθ έτως, κατά τν έμμεσ έλεγχ, η μαγνητική ρή υπλγίζεται έ μμεσα από μετρήσεις άλλων μεγεθών καθώς μετρώνται τα ρεύματα στ τύλιγ μ α τυ στάτη και η ταχύτητα περιστρφής τυ δρμέα. Η ρπή τυ κ ινητήρα επαγωγή ς πρκύπτει να ε ίναι τ γινόμεν δύ συν ιστωσών τυ ρεύματς τυ στάτη, όπως αυτό αναλύεται στ πλαίσι αναφράς (dmr,qmr) πυ στρέφεται με τ διάνυσ μ α τη ς μ αγνητικής ρής τυ δρ μ έα: M=K.is,(l1nr.is,qr11r Σημ ε ιώνεται ότι η μ έτρη ση τυ δ ιανύσ ματς μ αγνητικής ρή ς (κατά μ έτρ κα ι γωνία) και δη στν στρεφόμεν δρμέα ε ίναι εξαιρετικά δύσκλ να γίνε ι (υπε ισέρχεται μεγάλ πσστό θρύβυ, ενώ πρέπει να παρακλυθύνται συνεχώς ι μεταβλές των τιμών R και L των τυλιγμάτων δ ιότι με την περ ιστρφή μεταβάλλνται λόγω θερμκρασιακών μεταβλών). Ως μεινέκτημα της μεθόδυ σημειώνεται μεγάλς αριθμός αισθητήρων, μετατρπέων και μετρητικών πυ πέραν της πλυπλκότητας πυ εισάγυν, αυ ξάνυν τ κόστς αλλά κα ι τν χρόν απόκρισης των διατάξεων ελέγχυ. Επ ιπλέν, με τη μέθδ- τυ διανυσματικύ ελέγχυ η ρπή ελέγχεται μ όνν με έμμεσ τρόπ χωρίς να απφεύγνται και κραδασμί (toι-qυe ripples). Πτυχιακή Εργασία 'Α.γα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ ~ Απευθείας έλεγχς ρπή ς (direct torque control DTC): πρόκειται γ ια υσιαστική εξέλ ιξη τη ς μ εθόδυ τυ διανυσματικύ ελέγχυ πεδίυ (vector field control). Έτσι, κα ι σε αυτήν την περίπτωση ι τάσεις και τα ρεύ μ ατα τυ στάτη μετρώνται κα ι μ ετασχη ματίζνται σε στρεφόμ εν πλαίσι αναφράς, όμως μ ετράται ή καλύτερα υπλγίζεται η μαγνητική ρή στν στάτη καθώς επίση ς και η τιμή τη ς ρπή ς στν άξνα τυ κινητήρα. Από τη σύγκριση των μ εγεθών μ αγνητικής ρής κα ι ρπής μ ε τις επ ιθυ μη τές τυς τιμές παράγνται τα σήματα ελέγχυ των μετατρπέων (για έναυση κα ι σβ έση των διακπτών). Η δ ιαδικασία σύγκρισης στηρίζεται σε μη γραμμικές συναρτήσεις και έχει τ πλενέκτημα ότι αξιπιεί τη διακριτή στν χρόν συμπερ ιφρά των διακπτών ισχύς αυξάνντας τελικά τη συνλική απόδση. Η τεχν ική αυτή έχει ήδη αρχίσει να εφαρμόζεται σε πλία μ ε η λεκτρική πρόωση και πι συγκεκριμένα με αζιμυθιακό πρωστήρ ι σύστη μα σε συνδυασμό με σύγχρν κινητήρα μνίμων μαγνητών (Azipod, εταιρεία ΑΒΒ) και κυκλμ ετατρπε ίς. Η μ έθδς πλενεκτεί έναντ ι τυ διανυσματικύ ελέγχυ, καθώς ελέγχε ι απευθ ε ίας τη ρπή εξόδυ τυ κινητήρα, έχε ι πλύ μικρότερες απαιτήσεις σε μ ετρήσεις και υπλγισμύς μεγεθών (π.χ. δεν είναι απαραίτητη η μέτρηση τη ς ταχύτητας περιστρφής) ενώ η παραγόμ ενη ρπή ε ίναι πλέν εφικτό να μην εμπεριέχει μεγάλες αιχμ ές (torque ι ippl es ). 2. 7 ΣΥΝΕΡΓ ΑΣΙΑ ΕΛΙΚΑ - ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΠΡΟΩΣΗΣ Στα πλενεκτήματα της ηλεκτρικής πρόωσης συγκαταλέγεται και η υσιαστική μ ε ίωση τυ αξνικύ συστή ματς των πλίων, βλ. Σχ. 17. f _ΤΕΙ Β ΙΒΛΙΟΟΗΚ Η ΠΕΙΡΑΙΑ Σχήμα 17. Συγκρ ιτική παρυσίαση αξνικών συστημάτων πλίων ι rrr.r...ι!:ηrτιιμu ll pόnσιι~ 1 ιιι ιμu1 Uιut.'\I ηιuι 1τηρu 1 30 Πτυχιακή Εργασια Άγα Ηλία & Χαψι) Λuι<ά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης κα ι στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό lδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ Τα συστήματα η λε κτρ ική ς πρόωση ς έχυν τ πλενέκτημα συνεχύς μεταβλή ς των στρφών σχεδόν σε όλ τ διάστημ α 0-100%. Επιπλέν, τ 100% τη ς ρπής μπρ ε ί συvlίθως να χρη σιμπιηθε ί σε όλ τ πεδί λειτυργ ίας. Γ ια λόγυς ασφαλε ίας, η έλ ικα κινε ίται από δύ (ή και περ ισσότε ρυς) ηλεκτρκ ινητήρες ίσης ισχύς. Όσν αφρά την έλικα ως μηχανικό φρτ ί, ακλυθε ί τν λεγόμ εν «νόμ της έλικας» δη λ. η μηχανική ρπή ανάλγη τυ τετραγώνυ τη ς μηχανική ς ταχύτητας όπω ς πε ρίπυ και ι φυγκεντρικές αντλίες και ι ανεμιστήρες, αλλά μπρε ί η χαρακτηριστική αυτή να είνα ι σταθε ρή (έλικα σταθερύ βήματς) ή να μ εταβάλλεται με αλλαγή τη ς. κλίσης. των πτερυγίων της (έλικα μεταβλητύ βήματς). 2.8 ΕΛΙΚΑ ΣΤΑ ΘΕΡΟΥ ΒΗΜΑΤΟΣ Καθώς η υπε ρτάχυνση δέν ε ίναι δυνατή, η έλ ικα σχεδιάζεται έτσι ώστε να απρρφά τη μ έγιστη συνεχ1) ισχύ (σημ ε ί MCR) σε κατάσταση δκιμών, δηλ. πλή ρες φρτί, καθαρή γάστρα και ήρ εμ καιρό. Πρκε ιμ ένυ να ε ίναι δυνατή η λε ιτυργία μ ε πλήρη ισχύ σε δυσμ ενε ίς συνθή κες, τ σύστημα πρόωση ς συνήθως υπλγίζετα ι γ ια τιμή κατά Ι Ο - 20% μ εγ αλύτερη τη ς νμαστική ς, χωρίς αύξηση τη ς ισχύς πέρα από τη μ έγ ιστη συνεχή (MCR). Αυτό σημαίνε ι υπε ρδ ιαστασιλόγηση έλικας αξνικύ συστήματς - μ ε ιωτήρα - κινητήρα - μ ετατρπέα κατά 1 Ο - 20%. Τ Σχή μα 18 απε ικν ίζει τις καμπύλες απα ιτυμ ένη ς ισχύς σε διάφρες καταστάσε ις, καθώς και τα όρ ια τυ πεδίυ λειτυργίας μ ε έναν 11 δύ η λε κτρκινητήρ ες συνδεδ εμένυ ς στην ίδια έλικα.... -- --- "... 1 Λειiυρyία ε'ι"ός η>.tι..ϊpικu 1..11ψήραcεpπ ιί 120 0 2 Λε ιτυργία ε'ι"ός η i.ει..1ριι.:u ι.: 11ψ1jρα σε ponη 100% 3 Λειτυργί α δί10 ηί.εκrριι.:ών ι.:ινι1ηjρων σε poιnj 1 ~Ο~'../ Λειτυρ γ ία ύ ηλει:τρ ικώ\ t.:1\1j Πjp<Oν σε poιrιj \()()~. 5 Λεtτυργiα 30. SM 6 Δι..1μή σn1 θαλασσα 7 Δι..1μi1 pυμύ>.κφης Σχήμα J 8. Πεδί λε ιτυργίας μ ε έναν ή δύ ηλε κτρ κ ινητήρες πρόωση ς και έλικα σταθερύ βήματς Πτυχ ια κή Ε ργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λuκά
Αυτόματς έλ εγχ ς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, μ ε χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπα ιδ ευτικό Ίδρυμα Π ειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 2.9 ΕΛΙΚΑ ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΟΥ ΒΗΜΑΤΟΣ Τ σύστημα είναι συχνά (ή θα έπρεπε να είναι) εφδιασμ έν μ ε δ ιάταξη αυτόματη ς επ ιλγή ς τυ συνδυασμύ βήματς - στρφών έλ ικας στ δ ιάστημα 65-100% των στρφών, ώστε να εξασφαλίζετα ι η β έλτ ιστη λειτυργία κα ι η καλύτερη δυνατή απόκρ ιση κατά τυς χειρισμύς. Όταν η έλ ικα είνα ι ρυθ μιζμ ένυ βήματς δεν απαιτε ίται περιοώρι ρπ ή ς, δ ιότι η μ έγιστη ισχύ ς μπρε ί σχεδόν πάνττε να απρρφηθε ί μ ε ρύθμιση τυ βήματς.,.. -- -... --........ 'Ί ~... Ί' --- ---. "f... -... 3 _..... Ι :'..... -.. ~/ -~ - -......,r. -r -... -. ~... - - / f :._..... :Ξ ---..._..._... ~~..... ;,.... ιa 1 Ω ι a 'do.,... 1 Λε ιrυρyiα ενό; η λεκτρ ικύ ~1Υηπ)ρα σε ρπ ιi 100% 2 Λει rυργία δύ η λεκτρ ικόjν ~1νη τί1ρων σε ρ;ηi ι 00% 3 Συνδυασμέ\11 λε ι τυργία Σχήμα 19. Π εδ ί λειτυργ ίας με έναν ή δύ ηλεκτρκινητήρες πρόωσης κα ι έλικα ρυθμιζ μένυ βήματς Τ Σχήμα 19 απεικνίζει την καμπύ λη τη ς έλικας πυ πρκύπτε ι μ ε διάταξη αυτόματη ς επιλγής τυ συνδυασμύ βήματς - στρφών, καθώς και τα όρ ια τυ πεδ ίυ λε ιτυργίας μ ε έναν ή δύ ηλεκτρκινητήρ ες συνδεδεμένυς στην ίδια έλικα. 32 Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλ ίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπα ιδευτικό Ίδρυ μα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 2.10 ΤΟ ΑΖΙΜΟΥΘΙΑΚΟ ΠΡΟΩΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ (POD) Την τελευταία δεκαετία και παράλλη λα μ ε την εισαγωγή τη ς η λεκτρ ική ς πρόωση ς ε μφανίστηκε μία εναλλακτική λύση γ ια τ πρωστήρι σύστημα πυ έχε ι πλλαπλά πλενεκτήματα. Πι συγκεκριμ ένα, τ σύστημα ηλε κτρικύ κινητήρα κα ι έλικας είναι μία εν ιαία μνάδα, ε μ βαπτ ισμ ένη στ νερό στ πρυ μ ναί μ έρς τυ πλίυ, όπως στις εξωλέμβ ιες, Σχ. 20. Τ σύστη μ α μπρεί να φέρε ι μ ία ή δύ έλικες και έχε ι τη δυνατότητα να στρέφεται σχεδόν κατά 360 μίρες κατά την αζιμυθιακή διεύθυνση (από όπυ πρέρχεται και τ όνμά τυ), δη λ. στ ριζόντι επίπεδ, αυξάνντας σε μεγάλ βαθμό τις δυ νατότητες ελ ιγμών τυ πλίυ, ενώ αφενός πρακτικά ε κμηδενίζετα ι τ αξνικό σύστημα κα ι αφετέρυ δεν υφίσταται μηχανισμός πηδαλίυ. h,.haic :mirιg.tι\ f P ρrιχ. lef Σχήμα 20. Αζιμυθ ια κό πρ ωσ~ρι σύστημα ~ε μία έλικα ~Λz ί pd-εταιρία ΑΒΒ Μa ι-iηe)παρό μ ι είνα ι και τ συστημα Μeιη1a ιd των εταιριων K tηηcwgί - Λ l s t ιη Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ κα ι σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τ εχνλγικό Ε κπαιδευτικό lδρυμα Πειρα ιά - Τμήμα Αυτματισμύ 3. ΠΛΕΟΝΕΚΤΉΜΑΤΑ- ΜΕΙΟΝΕΚΤΉΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩ ΣΗΣ 34 Πτυχιακή Ε ργασία 'Αγα Ηλία & Χαψ ή Λ υκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Π ειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 3.1 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Τα κυριότερα πλενε κτήματα της η λε κτρική ς πρόωση ς, στα πία φείλεται και η διάδσή της στις εφαρμγές πυ πραναφ έ ρθηκαν, τα ακόλυθα: ε ίναι Ι. Συνεχής μεταβλή της ταχύτητας περιστρφής τη ς έλ ικας και τη ς ταχύτητας τυ πλίυ σε όλ τ πεδί 0-100 %. ΙΙ. Γρήγρη απόκριση κατά τη διάρκεια χειρισμών κα ι δυνα μική ς τπθέτησης τυ σκάψυς. ΠΙ. Χαμηλή στάθμη θρύβυ και κραδασμών. IV. Οικνμία καυσίμυ, καθώς είνα ι δυνατή η επιλγή των μηχανών πυ θα λειτυργύν έτσι, ώστε η κάθε μ ιά να λειτυργε ί κντά στ βέλτιστ σημεί. V. Ελευθερία στην τπθέτηση των επ ιμ έρυς μηχανημάτων τυ ενεργειακύ συστήματς, πυ πρσφέρει ευελιξία στν σχεδιασμό τυ σκάφυς και εξικνό μηση ωφέλιμυ χώρυ. I. Πλήρης εκμ ετάλλευση της στρ επτική ς ρπής σε όλ τ πεδί λειτυργίας. ΤΙΙ. Ευκλία αυτματισμύ. Ι ΙΙ. Αυξημένη αξιπιστία (πλλά συστήματα συνδεδεμένα παράλληλα) και, επμένως, αυξημένη ασφάλεια. ίχ. Περιρισμός των εκπεμπμένων ρύπων διότι: α. η κατανάλωση καυσίμυ είναι μικρότερη, όπως αναφέρθηκε πρηγυμένως, β. ιδιαίτερα ι εκπμπές ΝΟχ είναι αισθητά χαμηλότερες όταν, π.χ., ένας μεσόστρφς κινητήρας Diesel λειτυργεί μ ε σταθερές στρφές, όπως συμβαίνει στα νέα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης. Χ. Περιρισμός τυ κινδύνυ ρύπανσης τυ περιβάλλντς από ατυχήματα όπως αυτά των δεξαμενπλίων, χάρη στην ταχύτερη Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λuκά
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό 1δρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ απόκριση τυ συστήματς κατά τυς χειρ ισμύς και τη δυναμ ική τπθέτηση τυ σκάφυς. 3.2 ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ι. Υψηλό κόστς επένδυση ς. Αυτό γ ίνεται η πρσπάθεια να μ ε ιωθεί κατά τ δυνατόν, αξιπιώντας την υπάρχυσα τεχνλγία των ηπειρωτ ικών ηλεκτρικών δ ικτύων (Comme1 cial Off The Shelf - COTS), ωστόσ τ υψηλό κόστς των κινητήρων και των διατάξεω ν ελέγχυ τυς δεν δείχνε ι να υπερκερνάται εύ κλα. ΙΙ. Υψηλότερες απώλειες στ σύστημα μετάδση ς της κίνηση ς, σε σύγκριση μ ε τ μηχανικό σύστημα. Π.χ., σε συμβατικό σύστημα κινητήρα Diesel - έλ ικα ρυθμιζ μ ένυ βήματ ς, ι απώλε ιες τυ συστηματς μ ετάδσης ε ίναι περίπυ 4% - 2% στην έλικα και 2% στν μειωτήρα, όταν η έλικα λειτυργ εί στν βέλτιστ συνδυασμό ταχύτητας/βήματς. Σε εγκατάσταση ντιζελ-η λεκτρικής πρόωση ς, τ σύστημα μετάδση ς πρκαλεί απώλειες 7% - 8% - 3% στ ις γεννήτρ ιες, 2% στυς μ ετασχη ματιστές και μετατρπείς συχνότη τας και 2-3% στυ ς πρωστήριυς η λεκτρκ ινητήρες. Επμένως, λ ικός βαθμός απόδση ς είνα ι υψηλότερς στ σύστημα η λεκτρική ς πρόωσης μόνν όταν κάθε μηχανή λειτυργεί σε σταθερή ταχύτητα περιστρφής και επ ί μ εγάλα χρνικά διαστήματα στη β έλτιστη περιχή. ΙΙΙ. Ένα πρόβλημα πυ πρκύπτει από την ε κτεταμ ένη χρησιμπίηση των διατάξεων η λεκτρνικών ισχύς ε ίναι ότι εμφανίζνται πρβλήματα πιότητας η λε κτρικής ενέργε ιας, καθώς πέραν των χρή σιμων συχντήτων αναπτύσσεται και μ εγάλ πλήθς αρμνικών συνιστωσών ρεύματς κα ι τάσεως. Οι αρμνικές αυτές αφ ενός πρσαυξάνυν τη συνλική κυκλφρύσα άεργ ισχύ στ ηλεκτρικό ~ίκτυ αλλά επιπλέν δημιυργύν πρβλήματα η λε κτρμαγνητική ς συμβατότητας. Έτσ ι "η λεκτρμαγνητικός θόρυβς" πυ παράγεται επηρεάζε ι αρνητ ικά όλες τις ευαίσθητες η λεκτρνικές διατάξε ις -πρωτίστως τα κυκλώ ματα ελέγχυ των ίδιων των η λεκτρ νικών ισχύς - ενώ σε περ ιπτώσεις στρατιωτικών εφαρμγών αυξάνε ι τα επίπεδα τη ς ηλε κτρμαγνητική ς υπγραφής των πλίων. Τέλς, ε ίναι δυνατόν ι αρμνικές παραμρφώσε ις των η λεκτρικών 36 Πτυχιακή Εργασ ία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κινη τήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ μεγεθών να διεγείρυν ιδισυχνότητες για ηλεκτρμηχανικών ταλαντώσεων, όπως είνα ι τα φαινόμενα σιδηρσυντνισμύ στυς δρμείς των σύγχρνων γεννητριών παραγωγής η λεκτρικής ενέργε ιας. Η σειρά αυτή των πρβλημάτων λόγω της εξηλέκτρισης των συστημάτων τυ πλίυ αντιμετωπίζεται με εξειδικευμένες αναλύσεις και μ ελέτες κυρίως κατά της φάση της σχεδίασης τυς η λεκτρλγικύ συστήματς. 3.3 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΆ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΆΤΩΝ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΆΤΩΝ Η ηλεκτρπρόωση απτελεί μία αρκετά δελεαστική επιλγή γ ια τα πλία πυ συνεχώς κερδίζει έδαφς τα τελευταία χρόνια μεταξύ των άλλων λόγω και της γενικά εντατικής εξέλιξης όλων των η λεκτρικών και ηλεκτρνικών συστημάτων και κυρίως στν τμέα των διατάξεων ελέγχυ των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρνικών ισχύς. Η έρευνα κατά την τρέχυσα περίδ επ ικεντρώνεται στη μείωση τυ αρχικύ κόστυς επένδυσης αλλά και στην αύξηση των επιδόσεων τυ συνλικύ συνδυασμύ των δ ιατάξεων πυ αξιπιύνται από συστήματα ηλεκτρπρόωσης. - - ~ --- -- - - ----
Αυτόματς έλεγχς κινητήρα πρόωσης και στρφών πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρνυ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά - Τμήμα Αυτματισμύ 4. ΧΕΙΡΙΣΤΗΡΙΑ ΚΙΝΗΤΗΡ Α ΠΡΟΩΣΗΣ 38 Πτυχιακή Εργασία 'Αγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματ ς έλεγχς κιν ητήρα πρόωσης και στρφώ ν πλί υ, μ ε χρ ήση κλασσικύ κα ι σύγχρν υ αυτματισμύ Ανώτατ Τεχνλγικό Εκπαιδευ τικό lδρυμα Πειρα ιά - Τμήμα Αυτματισμύ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Ο αυτό ματς έλ.εγχς τυ πλίυ γίνεται από δύ σημεία συνδυαστικά. Από τη γέφυρα, όπυ βρίσκεται καπετάνις και ελέγχει τις συνθήκες εκτός τυ πλίυ (πρ εία, καιρικές συνθήκες κλπ) και από τ δωμάτι ελέγχυ τυ μη χανστασίυ όπυ γίνεται έλ.εγχς των συνθηκών εντός τυ πλ ίυ ( κατάσταση μη χανών, πσότητα καυσίμων, μαλή λ,ειτυργία μηχανικών με ρών κλπ) από τν πρώτ μηχανικό τυ πλίυ. Έτσι γ ίνεται και έλ.εγχς τυ κινητήρα τυ πλίυ. Με την ταυτόχρνη επίβλ,εψη της μαλή ς λ,ε ιτυργίας των συστημάτων ελέγχυ η λε κτρπρόωσης. Τα χειριστήρια αυτά έχυν την παρακάτω μρφή: Σχήμα 21 Σχήμα22 Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά
Αυτόματς έλεγχς κιvητήρα πρόωσης και στρφώv πλίυ, με χρήση κλασσικύ και σύγχρvυ αυτματισμύ Αvώτατ Τεχvλγικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά -Τμήμα Αυτμ ατισμύ Δύ πανμιότυπα χειριστήρια βρίσκνται στη γέφυρα και τ μηχανστάσι. Σε όλα τα συστήματα πλίων υπάρχει η επιλγή να χε ιρίζεται τη μηχανή και πρώτς μηχανικός κα ι καπετάνις. Η επικινωνία μεταξύ τυς γίνεται μέσω τυ τηλέγραφυ (Σχ. 23 ). Ανάλγα πις από τυς δύ έχει τν έλεγχ της μηχανής άλλς δείχνει την επιθυμητή κατάσταση μέσω αυτύ. χρησιμπιώντας τ χειριστήρι. Στη συνέχεια άλλς ακλυθεί Ο τηλέγραφς και τ χειριστήρι ε ίναι τ ένα δίπλα στ άλλ για να ε ίναι πι εύκλη η "ακλυθία" των κινήσεων. Στ ίδι πεδί υπάρχυν κα ι ι ενδείξε ις πρστασίας από όπιες δυσλειτυργίες ή σφάλματα της ιcύριας μηχανής. Κάπια από αυτά μπρεί να έχυν σαν απτέλεσμα τ σταμάτημα της μηχανής (trϊp\fai lure) και κάπιες άλλες είναι απλά πρειδπιητικές (alaπη s ). Κάπια χαρακτηριστικά παραδείγματα είνα ι τα παρακάτω: Πε ριγραφή Ενδε ικτ ικύ Υψηλή πίεση λαδιύ κινητήρα, Υπερφόρτωση κινητηρα Υ περτάχυνση κινητήρα Θερμκρασίες καυσαερίων Θερμκρασίες νερύ ψύξης Σημασ ία Trip ΤΓίp Trίp Αlaπη Alarm 40 Πτυχιακή Εργασία Άγα Ηλία & Χαψή Λυκά