Источники электроэнергии на судах.

Источники электроэнергии классифицируются по следующим признакам:

1) по роду тока (постоянного и переменного),

2) по характеру преобразования энергии:

Ø первичные источники – преобразователи рода энергии,

Ø вторичные источники – преобразователи параметров электроэнергии.

Первичные источники.

1) Генераторные агрегаты (ГА).

Генераторный агрегат включает в себя первичный двигатель и генератор.

Рекомендуемые материалы

В качестве первичного двигателя используются дизель или турбина (паровая или газовая).

Первичный двигатели:

Дизель характеризуется внешними и энергетическими характеристиками:

1)  Внешние характеристики (регулировочные):

, где:

n – обороты,

h – положение рейки топливного насоса,

h_m – предельная характеристика,

h_п – перегрузочная (между номинальной и предельной),

h_н – номинальная характеристика,

h<h_н – частотные характеристики.

2) Энергетические характеристики:

η – КПД,

g – удельный расход энергоносителя (кг/кВт),

N/N_н – относительная мощность двигателя.

Для турбины энергетические характеристики примерно такие же.

3) Внешняя характеристика турбины (с точки зрения регулирования):

У газовой и паровой примерно одинаковые.

Электрик определяет только одно:

Дизель:

Ø Время пуска: до 100 кВт – меньше 30 сек.

более 100 кВт – меньше 2 мин.

Ø Ресурс:   при n_ном=1500 об/мин – 4..6 тыс. часов

         при n_ном=500..750 об/мин – 10000 часов

Турбина:

Ø Время пуска: более 5 мин.

Ø Ресурс: 30000 часов.

Для сравнения: ресурс СГ до первого ремонта 30000 часов, полный 100000.

Достоинства дизеля:

Ø Быстрота пуска,

Ø Более высокий КПД (на 20% больше турбины).

Недостатки дизеля:

Ø Низкий ресурс,

Ø Большая масса и габариты.

У турбины – все наоборот.

Из-за быстроты пуска, в аварийных электростанциях используются ДГ.

В основных СЭЭС – ПД такой же, как главный двигатель.

Генераторы:

· Генератор постоянного тока.

В СЭЭС постоянного тока используются следующие серии П и ПГ. Это компаундные ГПТ с саморегулированием (как правило это дизельгенераторы).

Серия П: могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

Серия ПГ: только генераторный режим, так как в режиме двигателя большие потери.

U_ном=115, 230 В.

за счет Ф (компаундной обмотки) идет регулирование.

Для более точного регулирования используют угольный регулятор (для увеличении/уменьшения оборотов).

· Синхронный генератор.

Используют БЩСГ и ССГ. Особенности СГ в том, что у него внешняя характеристика – это семейство:

Все СССГ выпускаются на cosφ=0,8. СГ не может работать без АРН, потому поставляются вмести с ним (АРН на самом СГ, корректор – на ГРЩ или пульте).

Используются ССГ основных серий: МСК, СН, ГПМ, МСС, ГСС и др.

На напряжение:         U_ном=230, 400 В

На частоту:                f_ном=50 Гц

На обороты                n=500..1500 об/мин.

Все они с воздушным принудительным охлаждением.

На частоту f_ном=400 Гц – серия ГПЧ.

Применяются так же СГ с водяным охлаждением, например ТМВ (турбогенератор морской с водяным охлаждением)

ТМВ 3-2 (“3” – 3000кВт, “2” – система охлаждения водяная):

f_ном=50 Гц,

n=3000 об/мин.,

U_ном=400 В       Это турбогенератор.

Наилучшие показатели весового исполнения g(Вт/кг) имеют СГ с водяным охлаждением, так же и габаритного исполнения b(кВт/м³).

Для ТМВ:                   g=260..300 Вт/кг

                                    b=220..260 кВт/м³

Для МСК (зависит от номинальной мощности, как и для других серийгеенраторов):

                                    g=180 Вт/кг           Лучшие показатели для

                                    b=200 кВт/м³         генераторов МСК (2000 кВт)

МСК Р=50 кВт          g<100 Вт/кг

· Бесщеточный синхронный генератор.

ОС – обмотка статора БЩСГ.

В – выпрямитель.

ОВ – обмотка возбуждения.

ВБ – рабочая обмотка возбудителя.

На практике либо вариант “а” либо “б”.

а)   обмотка возбуждения возбудителя (ОВВ) в случае синхронного возбуждения.

б)   ОВВ – асинхронного возбудителя.

Синхронный возбудитель – обращенный СГ (или машина постоянного тока с «выдранным» коллектором) – полюса неподвижны, обмотка вращается на роторе.

в)   стабилизация напряжения может обеспечиваться через управление по ОВВ.

г)   или через выпрямитель В (но тогда вентили выпрямителя управляемые).

Главный недостаток “в” – инертность (большая постоянная времени ОВВ).

Для “г” – быстродействие такое же, как и в ССГ, то есть такой вариант лучше, так как к тому же надежность БЩСГ выше.

2) Химические источники тока.

Химические источники тока – это преобразователи химической энергии в электрическую.

В зависимости от циклов преобразования различают:

· Гальванические элементы.

W_р – энергия разряда.

· Аккумуляторные элементы.

Процесс разряда и заряда разделены во времени.

· Топливные элементы (электрохимические генераторы).

W_т – энергия топлива.

В СЭЭС используются аккумуляторные и топливные элементы, гальванические элементы используются в отдельных видах электрооборудования (то есть не как источники питания в СЭЭС).

Аккумуляторы (АЭ).

Для получения нужного тока и напряжения АЭ собирают в батареи. Используют в качестве аварийных и вспомогательных источников электроэнергии в СЭЭС.

Аккумуляторы – это обратимые элементы, преобразующий сообщаемую ему при заряде электрическую энергию в химическую, накапливающий её и отдающий обратно при разряде.

1 – корпус

2 – электролит

3 – катод (-)

4 – анод (+)

Любой аккумулятор характеризуется следующими параметрами:

1) ЭДС   Е=φ_к- φ_а (разность потенциалов катода и анода).

2) Напряжение на клеммах при заряде: U_з=E+IR

                                                        Разряде: U_р=E-IR

                  I – ток заряда/разряда

                  R – внутреннее сопротивление (величина переменная)

                              R=max – заряженное состояние

                              R=min – разряженное состояние.

3) Ёмкость аккумулятора.

при I_р=const → Q= I_рT_р

Это важная характеристика АБ.

На величину ёмкости влияют следующие факторы:

Ø площадь электродов (чем выше площадь, тем больше ёмкость).

Ø пористость электродов (тот же эффект, что и от площади).

Ø сила разрядного тока (чем меньше I_р, тем больше ёмкость).

Ø температура электролита.

Ø плотность электролита (чем выше, тем выше ёмкость → так как облегчается диффузия электролита через поры электродов).

Ø количество электролита (чем больше, тем лучше).

4) Мощность аккумулятора – количество электроэнергии, которую заряженный аккумулятор отдает при своем разряде.

5) Коэффициент отдачи по ёмкости.

6) КПД аккумулятора.

7) Коэффициент понижения напряжения.

Применяются, в зависимости от типа электролита, кислотные и щелочные аккумуляторы.

Кислотные аккумуляторы.

Электроды: свинец с присадкой сурьмы,

Электролит: серная кислота.

Напряжение одного элемента ≈ 2 В.

Реакция разряда/заряда:

E≈0,84+γ, где γ – удельный вес электролита, при t=15˚С.

Напряжение элемента очень сильно зависит от температуры.

Из-за малого внутреннего сопротивления кислотные АБ применяются там, где возможны большие кратковременные перегрузки (стартерный пуск дизелей).

Коэффициент отдачи по ёмкости – η_Q=0,85

                                                 КПД – η=0,7

Характеризуются:

Ø Относительно высокие показатели,

Ø Относительно дешевые и имеют меньшие габариты (в сравнении со щелочными),

Ø Имеют большую вредность.

Щелочные аккумуляторы.

v Железо-никелевые,

v Кадмиево-никелевые,

v Серебряно-цинковые.

1. Железо-никелевые:

U_{элемента}≈1,25 В

Реакция разряда/заряда:

2. Кадмиево-никелевые:

U_{элемента}≈1,3 В

Реакция разряда/заряда:

3. Серебряно-цинковые:

Имеют большое масса-габаритное преимущество перед остальными щелочными АБ, из-за этого применяются в торпедах.

U_{элемента}≈1,6 В

Реакция разряда/заряда:

, где

Q_н – начальная ёмкость,

Q_к – конечная ёмкость,

Т – время хранения.

Саморазряд – потеря емкости за определенное время при разомкнутой внешней цепи, из-за внутренних электрохимических процессов

Из-за малого внутреннего сопротивления и высокого напряжения элемента, при приемлемой стоимости, в качестве вспомогательных и аварийных источников в СЭЭС используются кислотно-свинцовые аккумуляторы.

Щелочные используются для питания отдельного электро и радио оборудования.

Серебряно-цинковые применяются в торпедах (у них малый срок службы, но высокие показатели).

Электрохимический генератор.

Топливные элементы (электрохимические генераторы).

Здесь химическая энергия топлива преобразуется электрохимическим путем в электрическую энергию.

Топливо (Н₂) и окислитель (О₂) непрерывно подводят к элементам, обедненный энергией продукт (Н₂О) непрерывно отводят

При такой конструкции кислород и водород прокачивают через пористые электроды под давлением; на границе электролит – электрод возникает ЭДС (0,8-0,9 В).

Генераторы набираются из элементов и вспомогательных систем.

Системы:

Ø Хранение – “Х”: “Т” – топлива, “Э” – электролита, “О” – окислителя.

Ø Подачи и циркуляции – “Ц”.

Ø Устройство контроля – “К”.

Ø Устройство регулирования – “Р”.

Ø Устройство отвода продуктов – “П”.

Ø Устройство выделения энергии тепловой – “ТЭ”.

Недостаток электрохимического генератора – мягкая внешняя характеристика.

Достоинства:

Ø относительно большая удельная ёмкость,

Ø малая масса и габариты,

Ø возможность работы в замкнутом пространстве, что особенно важно для подводных аппаратов.

Термохимический генератор.

Основан на использовании термоЭДС (термопар) в цепи, образованной проводниками из разнородных материалов, при разной температуре контактов (спаев) этих проводников. Здесь непосредственно преобразуется тепловая энергия, необходимая для поддержания разности спаев, в электрическую.

n – проводимость

p – проводимость

Элементы – полупроводники р и n проводимости.

Т_г – температура горячего спая,

Т_х – температура холодного спая,

α – коэффициент, зависящий от свойства материала (В/град).

Для германия α=1 В/град, что дает термоЭДС Е=0,1 В.

η=10% при разности температур в 500-600 градусов.

Лучший термоэлектрический генератор с удельной мощностью 200 Вт/кг.

Применение:

Ø в СЭЭС не применяются,

Ø радиоизотопные не обслуживаемые источники питания буев, маяков и т.д.,

Ø на спутники ставить престали,

Ø на аппаратах для дальних исследований в космосе применяют.

Магнитогидродинамические                        в СЭЭС не

Термоэмиссионные                            применяют

Вторичные источники энергии.

Это преобразователи параметров электроэнергии

1. Преобразователи рода тока

2. Преобразователи напряжения (т.е. параметров напряжения)

3. Преобразователи частоты

Все эти источники могут быть как статическими (полупроводниковыми), так и вращающимися (электромеханическими, т.е. электромашинными).

Электромашинные выпрямители.

Преобразователи напряжения

Ø В большинстве своем – трансформаторы ~ I.

Ø На постоянном токе – электромашинный трансформатор.

Есть для постоянного тока и полупроводниковые преобразователи.

Преобразователи частоты.

Выбор вторичных источников питания определяется мощностью нагрузки, уровнями выходных параметров и при питании нескольких потребителей – учетом одновременности потребления мощности.

Выбор электрических аккумуляторов включает:

1. Выбор типа, соответствующего заданным условиям эксплуатации.

2. определение емкости, для питания заданных потребителей.

Например:

кислотная АБ выбирается, когда предъявляются жесткие требования к габаритам и стабильности напряжения при разряде большими токами,
в остальных случаях – щелочные.

Ёмкость определяется по требуемому разрядному току (мощности) и времени разряда, составляется таблица нагрузок.

С_п – потребляемая ёмкость.

Тогда ёмкость аккумулятора:

K₁=0,9 – учитывает снижение ёмкости за время эксплуатации.

Информация в лекции "Активное слушание" поможет Вам.

K₂=0,8…0,85 – учитывает снижение ёмкости из-за кратковременных разрядов.

K₂=1 – если нет кратковременных разрядов.

С_{выбир. аккум} ≥ С

Для аварийных АБ (аварийное освещение):

t_раб=36 часов

АБ должна разряжаться не ниже 0,9U_ном.