BRODSKI ELEKTROENERGETSKI SUSTAVI Dubravko Vučetić

1. KOLOKVIJ

SPECIFIČNOSTI BRODSKIH ELEKTROENERGETSKIH SUSTAVA Zbog specifičnih uvjeta eksploatacije i značaja za sigurnost i ekonomsku učinkovitost broda pred brodske električne sustave se postavljaju sljedeći zahtjevi:

• Visoka pouzdanost i raspoloživost • Žilavost • Jednostavnost rukovanja i održavanja • Samostalno podmirivanje svih potreba za električnom energijom (otočni rad)

Visoka pouzdanost i raspoloživost nužne su jer čak i kratkotrajni raspad sustava ili dijela sustava, ako se dogodi u nezgodnom trenutku ( manevru, uskim prolazima i kanalima, kod teških meteoroloških uvjeta ili prilikom izbjegavanja sudara) može ozbiljno ugroziti sigurnost broda, tereta i posade. Zbog toga SOLAS konvencija i nacionalni klasifikacijska društva (registri) pred brodske elektroenergetske sustave i uređaje u pogledu njihove pouzdanosti, raspoloživosti i žilavosti postavljaju vrlo stroge zahtjeve. Pod pojmom pouzdanosti podrazumijeva se svojstvo uređaja ili sustava da što dulje vrijeme radi bez greške odnosno kvara. Raspoloživost sustava je širi pojam i pokazuje koliko je sustav sposoban održati svoju punu funkcionalnost. Visoki stupanj raspoloživosti postiže se osim korištenjem komponenata visoke pouzdanosti i ugradnjom redundantnih uređaja ili podsustava koji mogu preuzeti funkciju onih koji su u kvaru. Žilavost sustava znači da je sustav otporan na kvarove i oštećenja, odnosno da u slučaju havarije na dijelu elektroenergetskog sustava mora postojati mogućnost uspostave vitalnih funkcija broda trenutno ili u što kraćem vremenu. To se postiže korištenjem uređaja visoke pouzdanosti otpornih i na kratkotrajne neuobičajeno teške uvjete odnosno različite oblike stresa (mehanički, temperaturni, električni, elektromagnetski), redundantnim sustavima, koncepcijom koja u slučaju potrebe omogućuje brzu rekonfiguraciju sustava ali i svojstvom jednostavnog i brzog popravka sustava u uvjetima broda. Jednostavnost rukovanja i održavanja je zahtjev koji se danas sve češće bezrazložno zanemaruje. U pravilu bi svi brodski sustavi morali biti napravljeni tako da s mogu održavati ali u slučaju potrebe i popraviti na brodu, vlastitim snagama posade. Na žalost svjedoci smo da je sve više, uglavnom elektroničke opreme, koju je potrebno servisirati od ovlaštenog servisera čak i kada je na brodu kao član posade prisutan elektroničar, čime se značajno povećavaju troškovi. Jednostavnost rukovanja smanjuje mogućnost ljudske greške i olakšava prilagodbu i rad posade. Otočni rad je još jedna značajna karakteristika brodskih elektroenergetskih sustava. Brodski elektroenergetski sustav je izoliran, odnosno nije povezan s drugim sustavima. Takav sustav mora biti autonoman što znači da mora podmiriti sve potrebe potrošnje električne energije a ta se na brodu jako mijenja u različitim fazama eksploatacije. Brodska električna centrala mora dakle u svakom trenutku proizvoditi dovoljno energije za napajanje svih priključenih električnih trošila. U slučaju ispada električne centrale kod otočnog sustav a nastupa blackout. Nadalje, otočni sustav je mnogo osjetljiviji na nagla opterećenja i rasterećenja (uključenje i isključenje većih trošila) kod kojih dolazi do kolebanja frekvencije i napona. PODSUSTAVI BRODSKOG ELEKTROENERGETSKOG POSTROJENJA: Elektroenergetski sustavi se u pravilu dijele na četiri podsustava. To su:

• Proizvodnja, • rasklop, • raspodjela i prijenos, • potrošnja.

Proizvodnja električne energije na brodu obuhvaća generatore i akumulatorske baterije. Rasklop je sadržan u glavnoj rasklopnoj ploči i ploči za nuždu gdje su smješteni generatorski prekidači, prekidači esencijalnih trošila i prekidači glavnih odvoda. Raspodjela i prijenos obuhvaćaju ploče rasvjete, razdjelnike snage i rasvjete te cjelokupnu brodsku kabelsku mrežu od rasklopa do potrošnje. Potrošnja obuhvaća sva brodska električna trošila. BILANCA SNAGE Bilanca snage je temeljni proračun kojim se određuje približna trenutna potrošnja električne energije, odnosno ukupna snaga svih priključenih trošila tijekom osnovnih tehnoloških procesa broda a to su:

• navigacija • manevar • pretovar • na vezu

Tehnološki plovni objekti i brodovi specijalne namjene pored navedenih mogu imati i druge tehnološke procese koji su usko povezani s osnovnom funkcijom broda (npr. hlađenje tereta kod oceanskih ribarskih brodova tvornica, polaganje cijevi ili kabela kod cjevopolagača odnosno kabelopolagača, rad dizalica kod brodova dizalica odnosno servisnih brodova, dinamičko pozicioniranje i sl.) za koje naravno također treba napraviti proračun ukupne potrošnje. U okviru bilance snage posebno se izračunava ukupna potrošnja trošila spojenih na ploču za nužnosti a time i snaga dizel-generatora za nužnost. Smisao bilance snage je određivanje ukupne instalirane snage brodske električne centrale ali i broja i snage pojedinih generatora. Pogreške u izradi bilance snage mogu dovesti do pogrešnog odabira broja i snage generatora i tako stvoriti velike probleme u eksploataciji najčešće zbog potrebe rada većeg broja generatora od predviđenog s relativno malim opterećenjem. Za bilancu snage je značajna električna snaga Pe koju uređaj uzima iz mreže a ne njegova nazivna snaga Pn koja je manja za stupanj korisnosti η. Pe = Pn / η . Faktor istovremenosti pomnožen s ukupnom snagom određene grupe uređaja daje stvarnu trenutnu snagu potrošnje. On uzima u obzir koliko uređaja iz te grupe radi istovremeno. Ako npr. glavni motor ima dvije pumpe ulja, one nikada ne rade istovremeno pa je ukupna instalirana snaga 2Pe , ali je uz faktor istovremenosti 0,5 stvarna potrošnja Pe i to samo dok motor radi (navigacija i manevar). Bilanca snage se kod većine brodova s dizel-mehaničkim pogonom u pravilu radi samo za djelatnu snagu, dok se nazivna snaga generatora (prividna snaga SG u kVA) određuje uz pretpostavku da u potrošnji prevladavaju asinkroni motori odnosno da je cos φ=0,8. SG=Pe / cos φ Kod izrade bilance snage obično se ne radi posebna bilanca jalove snage već se uzima da je cosφ približno 0,8. Na brodovima sa snažnim pretvaračima frekvencije treba međutim obavezno izraditi i bilancu jalove snage. Naime dok ŠIM pretvarači frekvencije rade s cosφ=1 kod svih opterećenja što je povoljnije od cos φ=0,8, kod sinkrokonvertera i ciklokonvertera je cosφ općenito nizak, a posebice kod rada s malim opterećenjem, kada uzimaju mnogo više jalove nego djelatne snage. U tom slučaju generatori moraju biti snažniji ili rađeni za niži nazivni cosφ. Bilo je slučajeva da je samo zbog jalove snage trebalo uključiti još jedan generator. Veliki je problem što u tom slučaju dizelmotori rade s premalim opterećenjem te se prljaju i troše više goriva. ODREĐIVANJE BROJA I SNAGE DIZEL-GENERATORA Broj i snaga dizel-generatora moraju prema Registru biti dovoljni da u slučaju kvara na jednom preostali budu dovoljni za funkcioniranje svih brodskih sustava. Drugi je kriterij da pogonski strojevi (dizel motori) priključenih generatora u svim tehnološkim procesima eksploatacije, sukladno bilanci snage, rade u blizini optimalnog opterećenja odnosno minimuma krivulje potrošnje goriva. Predimenzioniranje dakle nije poželjno. Treba ipak voditi računa i o smanjivanju snage dizel motora tijekom eksploatacije zbog čega prije remonta više ne može davati nazivnu snagu. U pravilu se zbog jednostavnijeg rukovanja, održavanja a ponajviše manjeg broja rezervnih dijelova odabiru dizel-generatori jednakih snaga. Ugradnjom dizel-generatora različitih snaga (često je snaga generatora ista ali se razlikuju njihovi pogonski strojevi - dizel motori) može se različitim kombinacijama generatora u

radu postići rad u optimalnom području opterećenja uz sveukupno manji broj dizelgeneratora i njihovu veću pojedinačnu snagu. Poželjno je da u navigaciji jedan generator može pri optimalnom opterećenju (cca 85% nazivne snage dizel-motora) pokrivati cjelokupnu potrošnju uz dovoljnu rezervu snage za upućivanje velikih trošila, jer se tako smanjuju troškovi održavanja. Još je povoljnije ako je ugrađen osovinski generator pa tijekom navigacije pomoćni motori uopće ne rade. Snaga osovinskog generatora tada mora biti dovoljna da pokrije cjelokupnu potrošnju i rezervu snage jer je trajni paralelni rad s dizel-generatorima ili nemoguć ili se ne prakticira. Ne smeta ako je osovinski generator predimenzioniran i stoga slabije opterećen jer se optimalno opterećenje odnosi na pogonski stroj generatora, a u ovom slučaju je to glavni porivni stroj. Uobičajena minimalna rezerva snage električne centrale u radu je 10% snage jednog dizel-generatora (u kW). Kada rezerva snage padne ispod te vrijednosti automatika električne centrale uključuje generator u pričuvi (stand by). Minimalno opterećenje pomoćnih motora ne bi trebalo biti ispod 30% nazivne snage jer se tada previše prljaju i imaju značajno višu specifičnu potrošnju goriva. Automatika uz vremensko zatezanje od cca 30 minuta iskljjučuje i gasi jedan od dizel-generatora ako im je pojedinačna snaga ispod 25-30% nazivne snage. Izuzetak je jedino kada je brod u manevru pa je automatici određen minimalni broj generatora u radu ispod kojeg ona ne može ići. PRORAČUN STRUJE KRATKOG SPOJA Proračun kratkog spoja je drugi temeljni proračun kod projektiranja brodskog elektroenergetskog sustava. Proračunu kratkog spoja se pristupa tek nakon što je sustav potpuno definiran, odnosno poznati su svi njegovi elementi (izvori, trošila, presjeci i duljine kabela, sabirnice). Svrha proračuna kratkog spoja je odrediti struju kratkog spoja na svim pozicijama u sustavu i tako odrediti prekidnu moć prekidača odnosno najveću struju koju prekidači moraju moći prekinuti. Struja kratkog spoja na određenoj poziciji u elektroenergetskom sustavu se računa tako da se zbroji sve serijske impedancije između elektromotorne sile (induciranog napona) generatora i priključenih asinkronih i sinkronih motora (koji se u trenutku kratkog spoja ponašaju kao mali generatori i jako povećavaju struju kratkog spoja) i mjesta na kojem se izračunava struja. To su ukupna impedancija generatora (paralelni spoj impedancija svih generatora i priključnih kabela – dakle višestruko je manja od impedancije jednog generatora i priključnog kabela), otpor glavnih sabirnica i bakrenih priključnih traka u GRP i ukupni otpor kabela do mjesta kvara. Najznačajniji je proračun struje kratkog spoja na glavnim sabirnicama (GRP) jer je zbog najmanje serijske impedancije ta struja i najveća. Treba napomenuti da na struju kratkog spoja, posebno na udaljenijim mjestima, presudnu ulogu ima debljina kabela. Ponekad se namjerno produljuje kabelska trasa kako bi se povećao otpor kabela i tako smanjila struja kratkog spoja a time i prekidna moć prekidača (jeftiniji prekidač). Tome se naravno suprotstavlja kriterij što jeftinijeg kabela i pada napona u dozvoljenim granicama. Treba upozoriti da naknadna zamjena kabela debljim i/ili kraćim može značiti povećanje struje kratkog spoja preko granice prekidne moći prekidača a time i veliku opasnost za taj dio sustava. Zbog opadanja napona i postepene razgradnje magnetskog toka u generatorima pod djelovanjem reakcije armature, kojoj se protive struje u prigušnom kavezu i uzbudnim namotima tjerane naponima samoindukcije ali i djelovanjem kompaundnih transformatora, struja kratkog spoja također opada tijekom njegovog trajanja. Razlikujemo početnu Ik'', prijelaznu Ik' i trajnu Ik struju kratkog spoja (sve efektivne vrijednosti), koje prate i odgovarajuće vremenske konstante Tk'' i Tk' , koje određuju brzinu njihovog opadanja. Najveća je početna struja kratkog spoja koja i najkraće traje. Mjerodavna je za određivanje prekidne moći prekidača. Udarna struja kratkog spoja je najveća trenutna vrijednost struje kratkog spoja koja nastaje na samom početku kratkog spoja. Proporcionalna je početnoj struji (pomnoženoj s √2) ali ovisi i o prigušenju porasta struje odnosno odnosu L/R. Trajna struja kratkog spoja je važna za podešavanje zaštita, a posebno selektivne zaštite od kratkog spoja.

VISOKI NAPON NA BRODOVIMA Prema Registru se svi naponi manji od 1000 V smatraju niskim naponom (Low Voltage) a sve iznad je visoki napon (High Voltage). Treba napomenuti da se na kopnenim sustavima naponi od 1kV do 35kV nazivaju srednjim naponom (Medium Voltage) dok su visoki naponi oni od 110kV, 220kV i 400kV. To može stvoriti zabunu pa su neki autori počeli koristiti termin srednji napon i kod brodskih sustava. Pored standardnog niskog napona od 440 V 60Hz na brodu se koriste i naponi od 600V 60Hz, ali i neki drugi nestandardni naponi. Od visokih napona koriste se 3,3kV, 6,6kV, 11kV i 15kV uz frekvenciju od 60Hz. Na brodovima, a posebice na objektima za eksploataciju podmorja mogu se ponekad susresti i standardni naponi s frekvencijom 50Hz. Posebno je interesantan napon standardni od 660 V 50Hz koji omogućuje korištenje elektromotora građenih za spoj trokut kod 380V u spoju zvijezda. Uvođenje visokog napona na brodove donekle komplicira elektroenergetski sustav, njegovo upravljanje i održavanje. Projektanti se na uvođenje visokog napona odlučuju samo u slučajevima vrlo velike potrošnje električne energije. Visokonaponski generatori su kod većih snaga jeftiniji, lakši i manjih dimenzija, a zbog manje struje za istu snagu (S=√3UI) imaju mnogo manje gubitke odnosno veći stupanj korisnosti. Isto vrijedi i za velike elektromotore kakvi se danas koriste na brodovima za bočne porivnike, kompresore klimatizacije na putničkim brodovima, električne pumpe tereta i sl. Također treba naglasiti da visoki napon donosi i mnogo tanje presjeke kabela što visokonaponsku kabelsku mrežu čini jednostavnijom za instalaciju, a na većim udaljenostima od centrale mnogo je lakše ostati u granicama dozvoljenog pada napona. Ponekad se i na brodu s niskonaponskim sustavom koristi transformator za podizanje napona na visoki napon za napajanje pramčanog propelera prvenstveno zbog velike udaljenosti ali i jeftinije izvedbe njegovog elektromotora i naravno kabela. U novije se vrijeme uglavnom kao posljedica primjene sve strožih ekoloških propisa koji teže odvraćanju od korištenja vlastite električne centrale tijekom boravka u lukama, na brodove ugrađuju visokonaponski priključci na kopno (HVSC – High Voltage Shore Connection). U tu se svrhu na brodovima s niskonaponskim električnim centralama ugrađuju posebni transformatori za transformaciju visokog napona dobivenog s kopna (6,6 ili 11 kV) na napon glavne brodske mreže (440V). Povećavanjem potrošnje električne energije na brodove se ugrađuju sve snažnije električne centrale što ima za posljedicu i sve veće struje i naravno vrlo velike struje kratkog spoja. Sklopna tehnika ali i priključci na električnim uređajima u tom slučaju postaju limitirajući faktor. Vrlo je teško izvesti priključne kutije za niskonaponske generatore i motore od npr. nekoliko MW jer su struje jednostavno rečeno prevelike. Još je značajnije da prekidači koji trebaju isključiti takve izuzetno velike struje kratkog spoja postaju jednostavno preskupi i preglomazni, pa na taj način zahtijevaju i veće rasklopne ploče od visokonaponskih iako su sigurnosni razmaci kod visokog napona mnogo veći nego kod niskog napona. Treba naglasiti da je visokonaponski dio elektroenergetskog sustava uvijek vrlo jednostavan i s vrlo malim brojem trošila. Neusporedivo veći broj trošila i dalje se spaja na standardnu niskonaponsku brodsku mrežu 440V/60Hz napajanu preko visokonaponskih transformatora. Može se na kraju rezimirati da je razlog za uvođenje visokog napona prije svega vrlo velika potrošnja električne energije, najčešće kod električne propulzije ali i u nekim drugim slučajevima. Iz nje proizlaze sljedeći problemi koje visoki napon uspješno rješava:

• Prevelika struja kratkog spoja kod niskog napona (struja kratkog spoja se smanjuje obrnuto proporcionalno naponu, a veća struja kratkog spoja zahtijeva korištenje skupljih prekidača)

• Smanjenje mase i volumena električne opreme • Jednostavnije provlačenje i priključivanje kabela (tanji kabeli i manje priključne kutije) • Povećanje stupnja korisnosti (gubici u bakru smanjuju se obrnuto proporcionalno kvadratu napona)

ELEKTRIČNE ZAŠTITE NA VISOKOM NAPONU Na visokonaponskim sustavima se ugrađuju sve zaštite koje se ugrađuju i na niskonaponskim sustavima. Ipak postoje neke specifičnosti. Na visokonaponskim generatorima je zaštita od spoja među fazama na generatorskoj strani prekidača (generator, kabeli, generatorsko polje u GRP) obvezatna. To je diferencijalna zaštita koja mora isključiti generatorski prekidač i odmah razbuditi generator (isključiti uzbudu). Kod uzemljenog sustava isti se zahtjev odnosi i na zemni spoj. Svaki zemni spoj se mora dojaviti svjetlosnom i zvučnom signalizacijom. U slučaju sustava s velikom strujom zemnog spoja (direktno uzemljeni ili uzemljeni preko male impedancije) dio sustava u zemnom spoju se mora odmah isključiti. Svi generatori ali i motori moraju imati ugrađenu termičku zaštitu s prenaponskom zaštitom strujnog kruga. Sve električne zaštite na visokonaponskim sustavima su sekundarnog tipa, što znači da su zaštitni releji galvanski odvojeni od visokog napona najčešće primjenom strujnih i naponskih mjernih transformatora. Smještaj zaštitnih releja u neposrednoj blizini mjernog mjesta i sklopnog uređaja smanjuje mogućnost grešaka pa je stoga povoljniji od smještaja u odvojene, zasebne prostore koji međutim ima prednost u boljem pristupu za potrebe analize događaja, te kontrole i podešavanja zaštita. Za pouzdanost funkcioniranja zaštita posebnu ulogu ima pomoćno napajanje zaštitnih releja i isklopa sklopnih aparata, pa mora biti izvedeno iz besprekidnih izvora napajanja. Pouzdanost zaštita se povećava uvođenjem redundantnog napajanja, redundantnih isklopnih svitaka i neprekidne kontrole neprekinutosti strujnih krugova za isklop. POSEBNI PROPISI ZA VISOKONAPONSKE SUSTAVE Vrata prostorije s visokonaponskim uređajima koji nisu u ormaru odnosno vrata ormara moraju biti blokirana dok je uređaj pod naponom ili nije uzemljen. Visokonaponski uređaji (napon viši od 1kV) se ne smiju ugraditi u isto kučište s niskonaponskim uređajima, osim ako se posebnim mjerama ne osigura siguran pristup niskonaponskom dijelu. Kabeli različitih napona (VN i NN) ne smiju se polagati u istu kabelsku trasu. U nastambama se kabeli provlače kroz zatvorene prolaze. Visokonaponski kabeli moraju biti jasno označeni. Kabelski završetci moraju biti propisno zabrtvljeni u smislu zaštite od prodora vode. Mora biti omogućeno odvajanje visokonaponske GRP u najmanje dvije neovisne sekcije, s najmanje jednim rasklopnim uređajem. Svaka sekcija treba imati napajanje od barem jednog visokonaponskog generatora. U slučaju kabelskog međuspoja među sekcijama (dvije GRP), potrebna su dva sklopna aparata u svakoj ploči po jedan. Mora postojati mogućnost odspajanja zvjezdišta generatora od trupa kako bi se generator mogao odvojiti za slučaj održavanja i mjerenja otpora izolacije. Treba voditi računa o propisanim zračnim razmacima između faza i prema masi (3,3kV 55mm, 6,6kV 90mm, 11kV 120mm) Niskonaponski brodski elektroenergetski sustav se u normalnim uvjetima napaja iz visokonaponske mreže preko visokonaponskih transformatora npr: 6,6kV/440V. U tom slučaju niskonaponski sustav mora biti zaštićen od prenapona koji bi se mogao dogoditi prilikom direktnog ili indirektnog kontakta primarnog (VN) i sekundarnog (NN) namota. To se može postići: Direktnim uzemljenjem zvjezdišta sekundara (NN), uzemljenim zaštitnim plaštem između primara i sekundara ili odgovarajućom prenaponskom zaštitom.

MJERE SIGURNOSTI PRI RADU NA VISOKONAPONSKIM ELEKTROENERGETSKIM SUSTAVIMA Za visoki napon vrijede stroži propisi i procedure kako bi se maksimalno smanjila mogućnost grešaka koje u pravilu imaju katastrofalne posljedice prije svega na električnu opremu ali i na gubitak ljudskih života. Posada koja dolazi u kontakt s visokonaponskim dijelovima sustava mora biti posebno educirana i prije svega svjesna opasnosti kojoj se izlaže. Od posebnog značaja su dokumentirani obrasci EPTW kojim se utvrđuje procedura izvedbe određene operacije održavanja na visokonaponskom sustavu. Važno je naglasiti da svi sudionici u lancu od zapovjednog do izvršnog člana posade moraju biti potpuno koncentrirani i dobro prekontrolirati sve predviđene korake u izvedbi zadatka, a to se prije svega odnosi na izolaciju i uzemljenje strujnog kruga na kojem će zahvat biti izveden. EPTW (ELECTRICAL PERMIT TO WORK) je dokumentirani obrazac dozvole za rad na električnom sustavu (posebice visokonaponskom) Proučen je, planiran i odobren od ovlaštenog časnika a zadatak treba izvršiti odgovorna za to obučena osoba. Obično EPTW ima barem 5 dijelova: 1. Utvrđuje se lokacija, uređaj i posao koji treba obaviti. Potpisuje odgovorna osoba. 2. Risk Assessment (procjena opasnosti) utvrđuje na kojim mjestima treba izolirati i uzemljiti sistem i gdje

treba postaviti pločice upozorenja danger/caution, te eventualne dodatne mjere sigurnosti koje treba poduzeti. Potpisuje ga Chief Electrotechnical Officer (CETO) ili Cheef Engineer

3. Osoba odgovorna za postavljeni zadatak potpisuje da izjavljuje da je zadovoljna sa mjerama opreza i da je HV krug bio izoliran i uzemljen.

4. Izvještaj o obavljenom poslu ili odustajanju od istog, da je sva posada napustila poziciju koja sada više nije izolirana niti sigurna za rad, te da je sav materijal i alat iznesen. potpisuje osoba odgovorna za postavljeni zadatak

5. Poništenje EPTW sa potpisom odgovorne osobe koja ga je i izdala. I bez poništenja EPTW obično važi najviše 24 sata.

Iako za sve poslove na VN sustavu postoje dobro razrađene sigurnosne procedure, EPTW se ne smije shvaćati samo kao rutinsko ispunjavanje administrativnog spisa niti rada po njegovim uputama. Ispunjavanje EPTW je prilika za provjeru svih sigurnosnih mjera koje treba poduzeti i detaljno upoznavanjem sa zadatkom. Zato je važno pridržavati se sljedećih pravila:

1. Jasno definirati i zonu sigurnog rada i shvatiti što je čini sigurnom. 2. Razumjeti konfiguraciju električne instalacije (točke napajanja, odvajanja i uzemljenja) 3. Proučiti EPTW i prodiskutirati ga s ostalima 4. Osobno provjeriti metode izolacije (isključivanja) strujnog kruga i uzemljenja 5. Dužnost svih učesnika je da u potpunosti razumiju zadatak i mjere sigurnosti 6. Ne smije se započeti s radom bez važećeg EPTW 7. Prije početka rada treba provjeriti listu svog alata i rezervnih djelova koji se unose u VN. 8. Točno slijediti propisanu proceduru osiguranja mjesta rada 9. Korektno i savjesno provjeriti da nema napona. Provjera se obavlja isključivo posebnim

visokonaponskim ispitivačem napona (dugačka drška). Prije svake upotrebe ispitivač treba testirati. Prvo se spoji stezaljka na masu a zatim se sa štapom dodirne stezaljka koja se provjerava.

10. Uzemljiti 11. Odgovorna osoba ne smije napustiti lokaciju dok se posao ne završi, napravi se provjera popisa alata i

svi ne napuste mjesto rada. 12. Za rad na visokom naponu moraju biti prisutna najmanje dva člana posade od kojih je jedna odgovorna

osoba koja se primarno brine za sigurnost. (nema samostalnog rada na VN). Svi moraju proći tečaj visokog napona i potpuno biti uključeni u posao i mjere zaštite.

I na kraju, najosnovniji postupak kojeg se uvijek treba pridržavati iako je sadržan i u uputama u EPTW sastoji se od 5 točaka (5 prstiju na šaci):

1. Identificirati i razumjeti strujni krug (proučiti zadatak i odgovarajuće sheme) 2. Isključiti i izolirati strujni krug (isključiti sve priključke) 3. Provjeriti da krug nije pod naponom (s testiranim ispitivačem napona na svim kontaktima-fazama) 4. Uzemljiti strujni krug (sve kontakte – faze – spojiti s uzemljenjem) 5. Na mjestu rada ponovno provjeriti da uređaj nije pod naponom (testiranim ispitivačem)

Osim provjere visokonaponskim ispitivačem napona (duga drška) nikakvi drugi radovi pa ni mjerenja nisu dozvoljeni dok sistem nije uzemljen. Čovjek niti u kojem slučaju ne smije dodirnuti fazne vodiče niti se približiti istima dok sistem nije uzemljen bez obzira što je isključen sa napajanja. Na nekim dijelovima HV sistema koriste se za izolaciju i uzemljenje dvostruke brave sa samo jednim ključem, kao mehanička zaštita od ljudske pogreške. Jedan prekidač (uzemljenje) se ne može uključiti dok se drugi (napajanje) ne isključi izvuče ključ i otključa prekidač koji se želi uključiti i obratno. Tamo gdje nije predviđeno uzemljavanje pomoću rastavljača (manje važni krugovi) koristi se prijenosni kabel za uzemljenje s 4 kraja (SPIDER) od kojih se najprije jadan spaja na masu a zatim ostala tri na svaku fazu koja se uzemljuje. Nakon završetka posla redoslijed je obrnut. Naravno, prije uzemljavanja je potrebno isključiti strujni krug i provjeriti da nema napona. Danas se za brzu i vrlo preciznu dijagnostiku loših kontakata na VN ali i na NN sustavima koriste IC kamere kojima se sa sigurne udaljenosti snima cijela zona u radu. Kompjuterski programi pronalaze pregrijana mjesta i izvještavaju o temperaturi na njima. Ako se želi kontrolirati unutar VN uređaja treba prvo isključiti uređaj i zatim brzo snimiti s kamerom prije nego što se spojevi potpuno ohlade. Ne smije se prilaziti HV sistemu dok je uključen. Na važna mjesta mogu se staviti prozorčići koji omogućuju sigurno snimanje u radu. U normalnom radu prozorčići su prekriveni čeličnim poklopcem i treba ih treba obavezno zatvoriti nakon završenog ispitivanja. MJERENJE OTPORA IZOLACIJE Jedan od najčešćih zadataka na visokonaponskim uređajima je mjerenje otpora izolacije. Postupak je slijedeći:

1. isključiti dio koji se ispituje 2. provjeriti da nema napona 3. uzemljiti, 4. priključiti instrument, 5. isključiti uzemljenje 6. izvršiti mjerenje,

7. provjeriti da nema napona 8. uzemljiti 9. odspojiti instrument 10. isključiti uzemljenje 11. uključiti napajanje

Za mjerenje otpora izolacije na visokom naponu se za 6,6kV sistem se koristi 5kV Mohm metar, a za 3,3kV 2kV Mohm metar. Ispitivanje traje 1minutu. Minimalna vrijednost otpora izolacije je Un+1kV (Mohm). Za 6,6kV to znači 6,6+1=7,6 Mohm. Kod zdrave izolacije ova vrijednost je obično i do 100 puta veća. Detaljniji test izolacije koji se radi u sumnjivim situacijama i eventualno jednom godišnje naziva se PI (polarisation index). PI je odnos izmjerenog otpora izolacije nakon 10minuta testiranja sa onim nakon prve minute testiranja. Za klasu F izolacije preporučena vrijednost PI je 2. PI test se izvodi s posebnim uređajem koji ima motorni pogon induktora ili elektronički pretvarač napajan iz 220V jer običan MΩ metar ne može 10 minuta davati 5000 V.

BRODSKA VISOKONAPONSKA TROŠILA Suvremeni brodovi s velikom potrošnjom električne energije uglavnom imaju visokonaponske elektroenergetske sustave. Pored električne propulzije razlozi velike potrošnje električne energije mogu biti i snažne električne pumpe tereta, veliki broj rashladnih kontejnera ili komfor putnika. Brodovi s visokonaponskim elektroenergetskim sustavom pored visokonaponskih generatora u pravilu nemaju mnogo visokonaponskih uređaja. Uz već spomenute generatore to je prije svega sustav električne propulzije, zatim bočni porivnici te transformatori za napajanje niskonaponske mreže (VN/NN). Na velikim putničkim brodovima karakteristična visokonaponska trošila su i kompresori klima uređaja. Ponekad se i na brodovima s niskonaponskim sustavom ugrađuje visokonaponski transformator za podizanje napona (NN/VN) koji visokim naponom napaja pramčani bočni porivnik čime se rješava problem njegove velike udaljenosti od električne centrale. Prednost je u korištenju mnogo tanjih kabela, manjem padu napona i manjem i jeftinijem visokonaponskom elektromotoru, što sve zajedno pokriva cijenu transformatora. POVIJESNI RAZVOJ I TIPOVI ELEKTRIČNE PROPULZIJE Početak električne propulzije povezan je Jacobijem koji je davne 1839. godine u Petrogradu na Nevi uspješno predstavio prvo plovilo pokretano elektromotorom. Istosmjerni kolektorski motor napajan iz 128 galvanskih članaka pogonio je brodicu s 14 osoba brzinom od 2,2 čv. Ovdje je riječ o električnoj propulziji u užem smislu jer se za pogon koristi kemijskim putem proizvedena električna energije. Takvu propulziju predstavljaju i eko-brodice ali i prve podmornice koje nisu imale mogućnost punjenja akumulatorskih baterija. Mnogo su češće i ekonomski neusporedivo interesantnije dizel-električna i turbo-električna propulzija koje u stvari predstavljaju električni prijenos snage na brodski vijak odnosno električnu propulziju u širem smislu. Prve takve propulzije građene u prvoj polovici 20. stoljeća tako su i tretirane pa su takvi brodovi imali zasebnu električnu centralu za proizvodnju električne energije za potrošnju (rasvjeta, pomoćne službe...) istu kao i brodovi s mehaničkim pogonom, dok je propulzijska električna centrala bila direktno spojena na propulzijske elektromotore, kako bi se promjenom brzine pogonskih strojeva (dizel motora i parnih turbina) mijenjao i broj okretaja propulzijskih elektromotora odnosno brodskog vijka. Otkriće tiristora i razvoj reguliranih elektromotornih pogona napajanih iz tiristorskih ispravljača 70-tih, odnosno statičkih pretvarača frekvencije 80-tih godina, omogućili su integraciju brodskog elektroenergetskog sustava (jedna dizel-električna centrala za sve), a time i potpuno iskorištenje ukupne instalirane snage pogonskih strojeva za propulziju, prekrcaj tereta i ostalu potrošnju. POTPUNO INTEGRIRANI ELEKTROENERGETSKI SUSTAV Na slici je prikazana načelna jednopolna shema suvremenog brodskog elektroenergetskog sustava na brodu s visokim naponom i električnom propulzijom na kojoj se jasno vide svi njegovi podsustavi: Proizvodnja (centrala), VN rasklop (GRP), VN potrošnja (Električna propulzija i ostala VN trošila uključujući i VN/NN transformatore za napajanje NN GRP) te niskonaponski elektroenergetski sustav. Koncepciju potpuno integriranog elektroenergetskog sustava odnosno potpuno integrirane električne propulzije (IFEP - Integrated Full Electric Propulsion) karakterizira jedna električna centrala koja s konstantnom frekvencijom i naponom mreže napaja sve električne uređaje na brodu uključujući i električnu propulziju. Pored prikazane izvedbe s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP) uz regulaciju broja okretaja propulzijskih elektromotora pomoću statičkih pretvarača postoji i danas već zastarjela izvedba s brodskim vijkom s prekretnim krilima CPP uz konstantan broj okretaja propulzijskih elektromotora (najčešće nekoliko asinkronih kaveznih motora spojenih na jedan vijak preko reduktora). Nedostatak potonje je velika potrošnja goriva kod manjih brzina zbog CPP i skoro dvostruko veća struja kratkog spoja zbog kontribucije asinkronih motora. Propulzijski pretvarači frekvencije, s druge strane, mogu po potrebi momentalno i odmjereno rasteretiti električnu centralu tako da elektroenergetskom sustavu daju veliku stabilnost (napon, frekvencija, raspoloživost) i ne povećavaju struju kratkog spoja poput direktno spojenih elektromotora. Statički pretvarači uz to omogućuju i potpuno kontrolirano meko pokretanje propulzijskih elektromotora bez štetnih utjecaja na elektroenergetski sustav i motore.

M

M

M

M

M

M

M

M Mreža rasvjeteza nuždu

Glavna mreža rasvjete

RASVJETA

Elektroenergetski sustav za slučaj nužde

NISKONAPONSKI ELEKTRIČNI SUSTAV

GDM

GDM

GDM

GDM

Pogonski strojevi Generatori

Glavnasklopnaploča

ELEKTRIČNA CENTRALA

Propulzijskitransfor-matori

Pretvaračifrekvencije

Propulzijskielektromotori

Reduktori Brodskivijci

M

M

ELEKTRIČNA PROPULZIJA

GLAVNI (VISOKONAPONSKI) ELEKTRIČNI SUSTAV

GDM

Ostalavisokonaponska

trošila

SMANJENJE POTROŠNJE GORIVA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE U koncepciji broda s potpuno integriranim elektroenergetskim sustavom, sustav električnog prijenosa snage na brodski vijak pretpostavlja četiri stupnja konverzije energije: (1) mehaničko-električnu konverziju u sinkronim generatorima, (2) transformaciju napona u propulzijskom transformatorima, (3) regulaciju frekvencije i napona u propulzijskim pretvaračima frekvencije i (4) električko-mehaničku konverziju u propulzijskim elektromotorima.

DM G MM1,n1 M2,n2U1,f1 U2,f1 U3,f3

3-5%3-5% 1-2%0,5-1%

8-12%

1 432

Iz bilance snage prikazane na slici vidljivo je da se, usprkos vrlo visokom stupnju korisnosti pojedinih elemenata sustava električne propulzije, u električnom prijenosu energije do brodskog vijka ipak sveukupno izgubi između 8 i 12 % snage. U usporedbi s direktnom mehaničkom propulzijom kod koje se, zavisno od broja okretaja, duljine osovinskog voda i toga da li je primijenjen reduktor, gubi između 2 i 4% snage, električni prijenos je dakle bez sumnje, energetski gledano, sam po sebi lošiji izbor. Prednost električne propulzije je međutim sadržana u mogućnosti povećanja stupnja korisnosti na početku i na kraju propulzijskog lanca. Zbog niskog stupnja korisnosti pogonskih strojeva i brodskog vijka, upravo se na spomenutim mjestima može postići najveće smanjenje gubitaka, a time i značajne uštede na troškovima goriva. Preciznije rečeno, električna propulzija omogućuje:

• rad pogonskih strojeva s konstantnim okretajima u području oko optimalnog opterećenja bez obzira na eksploatacijski profil plovila (promjene potrošnje električne energije uglavnom povezane s promjenama brzine tijekom putovanja te trajanje i potrošnju tijekom prekrcaja)

• veći hidrodimanički stupanj korisnosti.

175

180

185

190

195

200

205

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%P/Pn

g/kWh

Slika 2.4. Specifična potrošnja goriva dizel-motora

Na karakterističnom dijagramu specifične potrošnje goriva dizel-motora, prikazanom na slici 2.4., može se uočiti da se najniža specifična potrošnja, a to znači i najviši stupanj iskorištenja postiže kod približno 80% nazivnog opterećenja. Udaljavanjem od minimuma krivulja postaje sve strmija, što je posebno izraženo kod opterećenja manjih od 50%. Kod direktne mehaničke propulzije sporohodni brodski dizel-motori pri smanjenoj brzini plovidbe rade u nepovoljnom području i tako umanjuju efekte smanjenja potrošnje usporavanjem broda, što je jedan od osnovnih načina optimiranja ekonomskog učinka broda. Otegotna je okolnost da je otpor broda kod malih brzina približno proporcionalan drugoj, a u blizini maksimalne brzine često i petoj potenciji brzine. Shodno tome, snaga propulzije je približno proporcionalna trećoj, a kod većih brzina i šestoj potenciji brzine, tako da već i relativno malo smanjenje brzine od samo nekoliko čvorova smanjuje snagu propulzije ispod prije spomenutih 50% snage pogonskog stroja (Slika 2.5.), kada se specifična potrošnja počinje brže povećavati. Metoda smanjenja specifične potrošnje pogonskih strojeva broda s električnom propulzijom svodi se na uključivanje i isključivanje dizel-generatora sukladno potrebnom porivu u pojedinim režimima plovidbe, tako da dizel-motori uglavnom rade pri optimalnom opterećenju i uz konstantan broj okretaja. Povećavanjem broja ugrađenih agregata sužuje se područje njihovog opterećenja, odnosno smanjuje prosječna specifična potrošnja goriva, ali se istovremeno povećava broj sati rada, odnosno troškovi održavanja. Iako se u stručnoj literaturi smanjenje potrošnje goriva najviše spominje u kontekstu optimiranja broja dizel-generatora u radu kod različitih uvjeta plovidbe, podtrupni porivnici, a posebno njihova zadnja generacija zasnovana na tehnologiji motora s permanentnim magnetima, omogućuju i značajne uštede zahvaljujući većoj hidrodinamičkoj efikasnosti. Dok je položaj, kut i promjer brodskog vijka kod dizel-mehaničke propulzije određen položajem pogonskog stroja i duljinom osovinskog voda, vijci podtrupnih porivnika optimalnih dimenzija mogu se postaviti u hidrodinamički optimalan položaj čime se postiže primjetno veći stupanj korisnog djelovanja. Sinkroni motori s permanentnim magnetima, kakvi se danas koriste u podtrupnim porivnicima, osim višeg stupnja korisnosti, imaju u odnosu na klasične motore i manji promjer, pa je njihovom primjenom postignuto značajno smanjenje omjera promjera tijela POD-a i promjera propelera što također primjetno povećava stupanj korisnog djelovanja. Izvedba POD-a s dva vijka (Twin) i zakrilcima na tijelu koja preusmjeravaju strujanje prednjeg vijka djelomično stvarajući efekt kontrarotirajućih vijaka dodatno povećava hidrodinamičku iskoristivost propulzora. Dobici u hidrodinamičkom stupnju korisnog djelovanja brodskog vijka kod nove generacije POD-ova ne samo da pokrivaju gubitke u električnom prijenosu snage već se postiže i sveukupno viši stupanj korisnosti od direktne dizel-mehaničke propulzije. POVEĆANJE KORISNOG BRODSKOG PROSTORA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE! Uz velike uštede na troškovima goriva kod brodova koji često mijenjaju brzinu plovidbe u stručnoj literaturi je jako eksponirana i mogućnost povećanja korisnog brodskog prostora primjenom električne propulzije. Ovdje treba razlikovati dvije stvari: (1) smanjenje strojarnice korištenjem bržih dizel-motora za pogon generatora umjesto sporohodnih za direktnu dizel-mehaničku propulziju, što se može postići i primjenom reduktora i (2) povoljniji smještaj pogonskih strojeva unutar jedne ili više proizvoljno raspoređenih manjih strojarnica zahvaljujući potpunoj slobodi koju daje električni prijenos snage. Na slici 2.8. je dan usporedni prikaz smještaja sustava brodske propulzije u slučaju broda s električnom propulzijom u varijanti ugrađenih propulzijskih elektromotora i zakretnih podtrupnih porivnika, te broda s

dizel-mehaničkom propulzijom u varijanti sporohodnih motora s direktnim prijenosom i srednjohodnih motora s reduktorom. Kod direktne dizel-mehaničke propulzije (Slika 2.8. a) sporohodni motori velikih dimenzija moraju biti postavljeni pod određenim kutom kako bi se postiglo što bolje strujanje na brodskom vijku i stoga zahtijevaju dugačak osovinski vod pa ostavljaju vrlo male mogućnosti izbora pri njihovom smještaju. Eventualno skraćivanje osovinskog voda povećava njegov nagib, zakreće ravninu brodskog vijka u hidrodinamički nepovoljniji položaj i podiže položaj pogonskog stroja. U konfiguraciji s reduktorima prikazanoj na slici 2.8. b situacija je zbog manjih dimenzija srednjohodnih motora povoljnija, ali je osovinski vod još uvijek jako dugačak, pa centralno smješteni pogonski strojevi značajno smanjuju korisni brodski prostor.

b) Dizel-mehanička propulzija s reduktorima

c) Električna propulzija s ugrađenim propulzijskim elektromotorima

d) Električna propulzija s podtrupnim potisnicima

a) Direktna dizel-mehanička propulzija

TERET

TERET

TERET

TERET

Slika 2.8. Iskorištenje brodskog prostora kod različitih koncepcija propulzije

Dizel-električna propulzija s ugrađenim propulzijskim elektromotorima (Slika 2.8. c) omogućuje proizvoljni smještaj dizel-generatora, ali ostaje problem centralno smještenih propulzijskih elektromotora sa sustavima hlađenja i podmazivanja i još uvijek dugačkim osovinskim vodovima na štetu korisnog prostora. Treba, također, napomenuti da primjenom električne propulzije u koncepciji integriranog elektroenergetskog sustava (IFEP) nestaju pomoćni motori s generatorima jer se cijeli sustav napaja iz jedne električne centrale. Zakretni podtrupni porivnici eliminiraju osovinski vod (Slika 2.8. d), smješteni su daleko na krmi i u potpunosti oslobađaju centralni dio trupa. Dizel-generatori, pretvarači i transformatori se, zavisno od vrste broda, mogu smjestiti u najmanje vrijedne krmene ili bočne prostore. Zbog duljine, a time i težine, energetskih kabela, treba ipak težiti postizanju što manje udaljenosti između POD-ova i generatora. Nije suvišno napomenuti da primjenom zakretnih podtrupnih porivnika nestaju kormila s pripadajućom opremom što također oslobađa dio prostora. Nova generacija podtrupnih porivnika je i po pitanju prostora povoljnija od prve generacije, jer se motori s permanentnim magnetima hlade morem preko tijela POD-a i nemaju potrebe za sustavom hlađenja koji je kod prve generacije zauzimao značajan dio, istina ne previše kvalitetnog, prostora u krmi. U svakom slučaju, činjenica je da se primjenom električne propulzije postiže maksimalno pomicanje brodskih energetskih sustava prema krmi, a time i povećanje prostora za teret. Sustavi s podtrupnim porivnicima su i ovdje u prednosti zbog smještaja propulzijskih motora izvan trupa te eliminacije dugog osovinskog voda i reduktora. POVEĆANJE MANEVARSKIH SVOJSTAVA BRODA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE Manevarske sposobnosti važne su za sve brodove, a posebno za one koji plove u priobalnom moru, imaju česte manevre i/ili potrebu za dinamičkim pozicioniranjem. Dobro je poznato da je električna propulzija

po manevarskim sposobnostima superiorna u odnosu na dizel-mehanički poriv brodskog vijka, što se u manje stručnim krugovima ponekad pogrešno vezuje isključivo uz korištenje zakretnih porivnika (Steerable Thrusters, Rudderpropellers) i zakretnih podtrupnih porivnika (AZIPOD®). Bolje manevarske sposobnosti ne dolaze samo od sposobnosti zakretanja ravnine vijka, odnosno vektora poriva već i od mnogo boljih dinamičkih svojstava njegovog pogona zbog:

• momentne karakteristike s konstantnim maksimalnim momentom; • manje zamašne mase izložene promjeni brzine kod dinamičkih promjena; • rada pogonskih strojeva s konstantnim brojem okretaja; • jednostavnog povezivanja u sustav dinamičkog pozicioniranja; • jednostavne instalacije snažnih bočnih porivnika.

Elektromotori napajani iz statičkih pretvarača frekvencije mogu raditi s konstantnim maksimalnim momentom u cijelom području brzina, što se postiže istovremenom regulacijom frekvencije i napona. Zahvaljujući velikom momentu moguće je brzo zaustavljanje i ubrzavanje brodskog vijka u oba smjera vrtnje što daje brz odziv broda kao objekta regulacije, odnosno odlična dinamička svojstva. Treba ipak napomenuti da se kod propulzijskih elektromotora pri najvećim brzinama često primjenjuje princip slabljenja magnetskog toka, čija je posljedica smanjenje momenta, što međutim ne umanjuje bitno sveukupno izvrsne dinamičke karakteristike pogona. Kod dizel-mehaničke propulzije pri ubrzavanju brodskog vijka ubrzavaju se i zamašne mase osovinskog voda i dizel-motora, dok se kod električne propulzije dizel-generatori vrte konstantnim okretajima, a ubrzavaju se samo propulzijski elektromotori, osovine i naravno brodski vijak, pa je ukupni moment inercije koji treba savladati kod ubrzanja i usporenja znatno manji, a time i odziv brži. Konstantan broj okretaja dizel-motora omogućuje sa stanovišta vremenskih konstanti propulzije gotovo trenutno preuzimanje opterećenja. Kod dizel-mehaničke propulzije ubrzavanje motora podložno je nizu tehnoloških ograničenja pa traje mnogo duže. Upravo velika brzina odziva omogućuje jednostavno povezivanje električne propulzije u kombinaciji s bočnim porivnicima u sustav dinamičkog pozicioniranja. Dizel-mehanička propulzija se također može koristiti za dinamičko pozicioniranje, ali u pravilu samo u kombinaciji s brodskim vijkom s prekretnim krilima, što je opet povezano s velikim utroškom goriva i jakom električnom centralom za pogon pramčanih i krmenih bočnih porivnika, dok u slučaju električne propulzije njihova snaga ne predstavlja problem za integrirani elektroenergetski sustav. Iako i električna propulzija s ugrađenim propulzijskim elektromotorima ima odlične manevarske sposobnosti ipak primjena zakretnih podtrupnih porivnika ima i u ovom slučaju niz vrlo značajnih prednosti:

• manje zamašne mase • nepotrebnost krmenih bočnih porivnika • veliki krmeni bočni poriv • znatno manji radijus okretanja pri punoj brzini • kraći zaustavni put broda.

Zbog izostanka osovinskog voda podtrupni porivnici imaju mnogo manji moment inercije od sustava s ugrađenim propulzijskim elektromotorima, a time i bolju dinamiku regulacije brzine. Upravljanje brodom s podtrupnim porivnicima kod malih brzina je bez ikakve sumnje superiorno u odnosu na klasičnu propulziju s kormilom čak i kada je opremljena krmenim bočnim porivnicima. Zakretanjem POD-a usmjerava se po potrebi sva snaga glavne propulzije u bočnom smjeru što, osim eliminacije krmenih bočnih porivnika, omogućuje mnogo sigurnije i kvalitetnije upravljanje brodom. Kod brodova s vrlo visokim nadvođem, odnosno velikom bočnom površinom, kao što su brodovi za kružna krstarenja i brodovi za prijevoz kontejnera, problemi manevra kod jačeg bočnog vjetra nisu se uvijek mogli uspješno riješiti primjenom bočnih porivnika te su ponekad zahtijevali korištenje tegljača. Zbog toga nije rijetkost da se kod klasične propulzije ugrađuje više krmenih i pramčanih bočnih porivnika, ali se svejedno, posebno na krmenom dijelu, osjeća manjak bočnog poriva. Kako zakretni podtrupni porivnici, kao osnovna propulzija broda, razvijaju mnogo veći poriv od bočnih, oni u potpunosti rješavaju problem bočnog porivnika na krmi i eliminiraju potrebu ugradnje krmenih bočnih porivnika, što smanjuje troškove, pojednostavljuje elektroenergetski sustav i poboljšava hidro-dinamička svojstva trupa. Otkad se koriste zakretni podtrupni porivnici, limitirajući faktor za postizanje optimalnih manevarskih sposobnosti broda kod malih brzina postali su pramčani bočni porivnici.

Razumljivo je da se brod opremljen pramčanim bočnim porivnikom i propulzijom sa zakretnim podtrupnim porivnicima može okrenuti na mjestu. Na probnim vožnjama se međutim pokazalo da brodovi s podtrupnim porivnicima imaju i vrlo mali radijus okretanja u vožnji. Usporedni test naglog zaokreta proveden na brodovima za kružna krstarenja, „M/S Elation“ opremljenim podtrupnim porivnicima i njegovom brodu blizancu s ugrađenim propulzijskim elektromotorima pokazao je da POD propulzija ima pri punoj brzini 40% manji radijus okretanja. Sličan rezultat postignut je i na probnoj vožnji tankera „Uikku“ nakon rekonstrukcije kojom mu je dizel-mehanička propulzija zamijenjena dizel-električnom POD propulzijom. Već je objašnjeno da POD propulzija ima bolju dinamiku što znači i bržu promjenu smjera vrtnje, a prema tome i kraći zaustavni put u slučaju manevra zaustavljanja. Zaustavni put se međutim u slučaju propulzije s dva POD-a može još više skratiti manevrom istovremene kontra-rotacije zakretnih podtrupnih porivnika čime se pri zaustavljanju koristi optimizirani smjer vrtnje vijka, ali i izbjegava faza nagle rekuperacije energije (vračanje energije u mrežu tijekom generatorskog kočenja) koja izaziva jake dinamičke poremećaje, a time i nestabilnost u elektroenergetskom sustavu. Već spomenutom „Uikku“ se primjenom POD propulzije zaustavni put smanjio za približno 45%. Osim što imaju gotovo dvostruko kraći zaustavni put, izuzetno je važno da brodovi opremljeni podtrupnim porivnicima, tijekom manevra zaustavljanja (Crash Stop) zadržavaju potpunu stabilnost i upravljivost, što nije slučaj kod ugrađenih propulzijskih motora. POVEĆANJE RASPOLOŽIVOSTI PORIVA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE Iako je sustav električne propulzije mnogo složeniji od sustava dizel-mehaničke propulzije ipak, zahvaljujući velikoj redundanciji, ima znatno veći stupanj raspoloživosti. Električni prijenos snage modernog broda s električnom propulzijom projektiran je tako da zahtijeva minimalne intervencije tijekom eksploatacijskog vijeka broda. Do zastoja prema tome dolazi jedino u slučaju iznenadnog kvara. Na slici 2.9. je dan pojednostavljeni prikaz tipičnog elektroenergetskog sustava broda s dvovijčanom električnom propulzijom. Karakterizira ga veći broj dizel-generatora, dva vijka pokretana dvonamotnim propulzijskim elektromotorima napajanim iz ukupno četiri pretvarača frekvencije sa zasebnim propulzijskim transformatorima. U slučaju jednog kvara na prikazanom sustavu, bez obzira da li se radi o dizel-motoru, generatoru, propulzijskom transformatoru, pretvaraču ili namotima motora, brod ostaje bez četvrtine snage, što znači da može nastaviti plovidbu s otprilike 90% maksimalne brzine. Raspoloživa snaga i navedena brzina ne samo da garantiraju sigurnost broda već i minimiziraju gubitke zbog eventualnog kašnjenja. Najveća vjerojatnost pojave kvara u sustavu električne propulzije vezana je uz njegove najsloženije podsustave, pretvarače frekvencije i sustav dizelskih motora, gdje se isti mogu otkloniti bez zaustavljanja brodskog vijka. Suvremeni sustavi samodijagnostike, te pristupačnost i manipulativnost rezervnih dijelova, omogućuju vrlo brz popravak pretvarača dok trajanje zastoja na dizel-motoru jako ovisi o vrsti kvara, ali je u svakom slučaju mnogo kraće nego kod direktne mehaničke propulzije sa sporohodnim dizel-motorom. Noviji brodovi s električnom propulzijom grade se s više odvojenih strojarnica kako bi se u slučaju požara u jednoj u preostalim zadržala proizvodnja električne energije, a time i poriv broda.

G

DM

G

DM

G

DM

G

DM

Y

Δ

Δ

Δ

~~

~~

M

Y

Δ

Δ

Δ

~~

~~

M

Slika 2.9. Tipični elektroenergetski sustav broda s dvovijčanom električnom

propulzijom

BRODSKI VIJAK Brodski vijak u radu razvija tzv. centrifugalnu karakteristiku momenta, što znači da je moment približno proporcionalan kvadratu, a preuzeta snaga trećoj potenciji broja okretaja (Slika 3.1.). Sa stanovišta elektromotornog pogona to je vrlo povoljna karakteristika momenta koja omogućuje lako pokretanje, pa je bez obzira na način upućivanja zadovoljavaju sve vrste elektromotora. Maksimalni stupanj iskorištenja dobro projektiranog i izrađenog brodskog vijka s fiksnim krilima (FPP) kod zadane brzine broda, kreće se za trgovačke brodove između 0,7 i 0,75. Kod ubrzavanja broda propeler radi s većim opterećenjem pa mu je i stupanj korisnosti mnogo manji, što se može značajno poboljšati primjenom brodskog vijka s prekretnim krilima (CPP). Brodski vijci s prekretnim krilima su interesantni i za primjenu na brodovima s električnom propulzijom jer omogućuju upravljanje brzinom broda uz konstantan broj okretaja propulzijskog elektromotora, eliminirajući time potrebu za njegovom regulacijom odnosno za pretvaračima frekvencije

v

PD

FPP

CPP

Slika 3.6. Usporedba privedene snage brodskom vijku u zavisnosti od brzine broda brodskog vijka s fiksnim krilima i varijabilnim brojem okretaja i brodskog vijka s prekretnim krilima i konstantnim brojem okretaja ZAKRETNI POTISNICI Zakretni potisnici (Steerable Thruster Units, Azimuth Thrusters, Rotatable Thrusters) desetljećima se uspješno koriste na manjim i srednje velikim plovilima kod kojih se traže odlična manevarska svojstva, odnosno veliki poriv kod malih brzina, kao što su tegljači, ledolomci, trajekti i plovni objekti s dinamičkim pozicioniranjem. Zahvaljujući mehaničkom prijenosu u L izvedbi (Slika 3.9. a), kada je propulzijski motor smješten vertikalno, odnosno Z-izvedbi (Slika 3.9. b) kada je propulzijski motor smješten horizontalno mogu se zakretati oko vertikalne osi i tako mijenjati smjer vektora poriva.

MM

b)a) Slika 3.9. Zakretni potisnici s propulzijskim motorom smještenim: a) vertikalno,

b) horizontalno Kako je vidljivo iz slike 3.9. u slučaju L-pogona se os rotacije mijenja jednom, a u slučaju Z -pogona dva puta, što znači da L -pogon može imati samo jedan (donji) reduktor smješten u peti potisnika, dok Z-pogon mora imati i gornji reduktor smješten unutar brodskog trupa. Zbog dva reduktora Z -pogon ima otprilike dva puta veće gubitke u prijenosu i prema tome niži faktor iskorištenja. Zakretni potisnici mogu zahvaljujući

redukciji broja okretaja biti pogonjeni manjim i jeftinijim brzohodnim dizelskim ili električnim motorima. Kako su eliminirani dugački osovinski vod i kormilo s kormilarskim uređajem dobiva se veći kapacitet, a zbog smještaja motora maksimalno prema krmi broda i bolji raspored brodskog prostora. Maksimalna snaga koja se može ostvariti na zakretnim potisnicima kreće se najviše do 10 MW. Velike snage imaju smisla samo kod direktnog dizel-motornog pogona zakretnih porivnika dok je njihova primjena kada je riječ o električnoj propulziji koja ima na raspolaganju podtrupne porivnike danas ograničena samo na male snage. Kod velikih snaga naime naglo raste težina mehaničkog prijenosa (osovina i reduktora). PODTRUPNI PORIVNICI Krajem osamdesetih godina prošlog stoljeća Kvaerner Masa Yards i ABB došli su na revolucionarnu ideju, da izrade zakretni podtrupni porivnik (Podded Drive - POD) koji bi se montirao ispod brodskog trupa i, za razliku od zakretnih potisnika s mehaničkim prijenosom, obuhvativši propulzijski elektromotor, omogućio direktan pogon brodskog vijka. Elektromotor se dakle nalazi u zakretnom POD-u ispod trupa broda. Prvi model snage 1,5MW isporučen 1990. dobio je komercijalni naziv AZIPOD® (Azimuthing Podded Drive), što je uskoro postao sinonim za podtrupne porivnike. Danas se proizvode podtrupni porivnici snaga većih od 20MW. Prednosti podtrupnih porivnika pred ugrađenim propulzijskim elektromotorima opisane su u prethodnim poglavljima.

BRODSKI ELEKTROENERGETSKI SUSTAVI Dubravko Vučetić

2. KOLOKVIJ

PROPULZIJSKI ELEKTROMOTORI Osnovne karakteristike krivulje momenta brodskog vijka su njen centrifugalni karakter i mali broj okretaja, koji se zavisno od njegovog promjera i snage uobičajeno kreće od 80 do 300 min-1. Jednako kao kod dizel-motornog pogona s mehaničkom transmisijom i kod električnog prijenosa snage se mali broj okretaja također može dobiti na dva načina:

• (velikim) motorom s malom nazivnom brzinom i direktnim pogonom brodskog vijka

• (manjim) motorom s većom nazivnom brzinom o pogonom preko mehaničkog reduktora.

Kako je snaga svih rotacionih strojeva proporcionalna momentu i kutnoj brzini, tako i veličina elektromotora brzo raste sa smanjivanjem nazivnog broja okretaja. Odluka o ugradnji reduktora ima dakle presudan utjecaj na najznačajnije karakteristike propulzijskog elektromotora, ali i izbor elektromotora na prijenosni omjer, masu i cijenu reduktora. Danas se u sustavima električne propulzije komercijalno koriste četiri vrste motora:

• sinkroni motori s uzbudnim namotima • sinkroni motori s permanentnim magnetima • asinkroni kavezni motori • istosmjerni kolektorski motori.

Centrifugalna karakteristika momenta određena parametrima brodskog vijka i eksploatacijski radni ciklus postavljaju pred propulzijski elektromotorni pogon sljedeće osnovne zahtjeve:

• nizak broj okretaja • veliki moment • sposobnost regulacije brzine • povremeni četverokvadratni intermitirani pogon.

Pored navedenih osnovnih zahtjeva, propulzijski elektromotori moraju ispuniti i niz drugih tehničko-ekonomskih i sigurnosnih uvjeta koji proizlaze iz specifičnosti eksploatacije broda:

• besprijekoran rad u ekstremnim klimatskim uvjetima • besprijekoran rad pri propisanim nagibima • otpornost na vibracije i udarce • otpornost na koroziju • visoki stupanj korisnosti • male dimenzije a posebno promjer motora • mala težina • visoka pouzdanost • tolerantnost na kvarove • mali obim i jednostavnost održavanja

• mogućnost rada s jednostavnijim pretvaračima frekvencije • visoki faktor snage • povoljna cijena.

Dok su prve četiri točke definirane propisima, ostale mogu biti predmetom vrednovanja i optimizacije. Iako je stupanj korisnosti propulzijskih elektromotora i reduktora u odnosu na brodski vijak i pogonske strojeve nedostižno visok, zbog izuzetno velikih snaga propulzijskih sustava, i vrlo male razlike mogu donijeti velike uštede na troškovima goriva. Kod brodova koji značajan dio vremena provode u plovidbi smanjenom brzinom, potrebno je uzeti u obzir da stupanj korisnosti elektromotora ovisi o broju okretaja i opterećenju. Među najznačajnijim čimbenicima pri vrednovanju propulzijskih elektromotora, kao uostalom i većine brodske opreme, su njihova masa i dimenzije koje direktno smanjuju kapacitet broda. Još je značajnije da dijametar ugrađenih propulzijskih elektromotora u korelaciji s kutom nagiba osovine određuje poziciju ugradnje, a time i veličinu teretnog prostora ispred motora na najnižim palubama. Male dimenzije motora su još važnije u slučaju podtrupnih potisnika jer omjer promjera propelera i motora izravno utječe na stupanj korisnosti poriva broda. Treba naglasiti da se promjer elektromotora, općenito može smanjiti i povećanjem duljine, ali uz istovremeno povećanje mase i progiba osovine a prema tome i zračnog raspora. Kada odnos duljine i promjera pređe određenu granicu javljaju se problemi s hlađenjem i nužnost ugradnje složenijih sustava hlađenja. Veća specifična snaga motora može se postići povećanjem gustoće struje u vodičima uz primjenu dirigiranog hlađenja, što međutim za sobom povlači porast gubitaka i stoga sniženje stupnja korisnosti motora. Ipak ako je manji promjer motora uspješno iskorišten za postizanje veće hidrodinamičke efikasnosti, ukupni stupanj korisnosti propulzije će se u pravilu povećati. Eksploatacija broda je vrlo dinamičan tehnološki proces kojem zastoji jako ugrožavaju ekonomsku efikasnost. U tehnološkom lancu je najkritičniji upravo sustav propulzije, čije otkazivanje može ozbiljno ugroziti ne samo financijske rezultate već i sigurnost broda. Brod je u eksploataciji, a pogotovo tijekom plovidbe, autonoman sustav koji nema logističko okruženje kopnenih sustava. Propulzijski elektromotori su uvijek glomazni, pa je njihova manipulacija i doprema dugotrajna i komplicirana što jako produljuje trajanje zastoja. Iz navedenih razloga je izuzetno važno da propulzijski elektromotori imaju visoku pouzdanost i stupanj tolerancije na kvarove kako bi se maksimalno smanjila vjerojatnost djelomičnog ili potpunog gubitka pogona. Kod velikih ugrađenih motora jako je važna i mogućnost popravka namota na licu mjesta. Periodičko preventivno održavanje mora biti što jednostavnije, primjereno stručnosti posade, i ni u kom slučaju ne smije remetiti tehnološki proces, što znači da je po obimu provedivo u vremenu potrebnom za prekrcaj tereta, odnosno vremenu boravka u luci, ili da ne zahtijeva zaustavljanje pogona. Izostanak preventivnog održavanja ne bi smio biti direktan uzrok kvara propulzijskog elektromotora. Neke vrste motora bolje podnose napajanje s nesinusoidalnim naponom od drugih, što znači da će uz manje vibracije i gubitke raditi i s jeftinijim pretvaračima frekvencije koji imaju veliki THDu izlaznog napona. Zbog toga je potrebno analizirati i kako se pojedine vrste elektromotora ponašaju kada su priključene na napon s jakim višim harmonicima. Niži faktor snage motora osim što povećava gubitke u motoru povećava i potrebnu snagu pretvarača frekvencije i njegove gubitke. Dobar propulzijski motor stoga mora imati što viši faktor snage. Razumljivo je da uz sve navedene osobine propulzijski elektromotori moraju biti i što je moguće jeftiniji, kako bi se smanjili i onako previsoki investicijski troškovi ugradnje električne propulzije.

Istosmjerni kolektorski motori Desetljećima je neprikosnovena prednost istosmjernih kolektorskih motora bila mogućnost fine regulacije broja okretaja uz minimalne gubitke i postizanje maksimalnog momenta od pokretanja do nazivne brzine, te mogućnost postizanja i višestruko većih brzina uz slabljenje magnetskog toka. U koncepciji odvojenih elektroenergetskih sustava regulacija brzine se ostvarivala promjenom uzbudne struje istosmjernih generatora uz konstantan broj okretaja pogonskih strojeva, a kasnije prelaskom na izmjeničnu struju i koncepciju objedinjenog sustava primjenom nezgrapnog Ward-Leonardovog spoja. Tiristorski ispravljači su sustav pojednostavili, smanjili mu težinu i potakli izgradnju velikog broja plovila s istosmjernom električnom propulzijom. Manji istosmjerni propulzijski motori snaga od nekoliko stotina kW do 4MW i danas se koriste na brojnim plovnim objektima uglavnom tehnološke namjene na kojima istosmjerni motori pokrivaju i najznačajnije tehnološke elektromotorne pogone. Istosmjerni motori iz današnje perspektive imaju niz nedostataka koji ih čine inferiornima u odnosu na asinkrone i sinkrone motore i stoga manje poželjnim u sustavima električne propulzije:

• ograničena granična snaga (10MW) • ograničen nazivni napon (1000V) • niži stupanj korisnosti (92%) • komplicirana konstrukcija (četkice, kompenzacijski namoti, pomoćni polovi) • potreba podešavanja (četkice, pomoćni polovi) • veći opseg i složenost održavanja (podešavanje i zamjena četkica, čišćenje) • manja pouzdanost • manja otpornost na vibracije i udarce • veća cijena • iskrenje (na četkicama) • veći promjer.

Kolektorski motori imaju kompliciranu konstrukciju s izoliranim armaturnim namotajima položenim u rotorske utore koji se spajaju na lamele kolektora. Osnovna konstrukcija statora je relativno jednostavna s uzbudnim namotajima navučenim na istaknute polove koji se montiraju na jaram, ali je kompliciraju kompenzacijski namotaji u polnim papučama i namotaji pomoćnih polova montiranih između glavnih polova, oba velikog presjeka jer kroz njih teče armaturna struja. Tome treba dodati nosače četkica s mogućnošću podešavanja kuta zakreta i veliki broj držača četkica s četkicama. Tako veliki broj dijelova ne samo da poskupljuje izradu već i jako smanjuje pouzdanost motora te iziskuje podešavanja i česte kontrolne preglede uglavnom sustava četkica i kolektora. Nakon montaže svaki se motor mora podvrći podešavanju pomoćnih polova koje zahtjeva njihovu opetovanu demontažu radi ubacivanja dinamo-limova i terećenje motora nazivnim opterećenjem. Potrebno je i podešavanje položaja četkica. Četkice se troše i ponekad pucaju. Opruge držača gube elastičnost, pogotovo ako dođe do pregrijavanja, pa je potrebno često kontrolirati i podešavati pritisak četkica na kolektor. Kolektor se s vremenom troši pa izolaciju između lamela treba povremeno skraćivati. Kada nakon višegodišnje eksploatacije četkice naprave žlijebove, a kolektor postane ovalan, treba ga pretokariti. Tokarenje kolektora velikog propulzijskog motora je veliki problem jer zahtije-va demontažu rotora i njegov transport do servisa. Kolektor je osjetljiv na prljavštinu, pose-bno masnoću i vlagu koje pospješuju taloženje vodljive ugljene prašine što u slučaju neadekvatnog čišćenja može izazvati kratki spoj. Premda su izvedbe propulzijskih istosmjernih motora potpuno zatvorenog tipa s vlastitom zatvorenom cirkulacijom zraka ipak

zahtijevaju veliku pažnju i obimno periodično preventivno održavanje. Iako mnogi propulzijski istosmjerni motori odrade i više od 25 godina bez kvarova, to je u najvećoj mjeri rezultat brižnog i sistematskog održavanja koje je u uvjetima broda sve teže i sve skuplje ostvarivo. Asinkroni kavezni motori Asinkroni kavezni motori neupitno su najrašireniji motori u brodskim i kopnenim elektromotornim pogonima. U sustavima električne propulzije asinkroni motori se koriste od samih početaka pa je tako i prvi brod s električnim prijenosom snage na brodski vijak „Jupiter“ izgrađen 1913. imao dva propulzijska asinkrona motora napajana iz turbogeneratora koji su direktno pogonili brodske vijke. Danas se propulzijski asinkroni kavezni motori koriste u više varijanti:

• za pogon brodskog vijka s prekretnim krilima konstantnom brzinom • za pogon brodskog vijka s fiksnim krilima promjenljivom brzinom • ugrađeni u podtrupne potisnike.

Asinkroni kavezni motori posebno su često korišteni u sustavima propulzije s prekretnim propelerima jer se usprkos velikoj struji pokretanja ipak u odnosu na druge vrste nereguliranih elektromotora relativno jednostavno upućuju, direktno, klasičnim metodama smanjenja napona ili tiristorskim uputnikom. Kako CPP kod nazivnih okretaja motora u neutralnom položaju uzima najviše 20% nazivne snage, a tijekom zaleta naravno mnogo manje, gubitak momenta zbog sniženog napona motora ne predstavlja problem kod upućivanja. Često se koristi više manjih motora koji preko zajedničkog reduktora pogone jedan brodski vijak. Na plovnim objektima s dinamičkim pozicioniranjem asinkroni kavezni motori su predstavljali pouzdanu alternativu prevladavajućim istosmjernim motorima s regulacijom broja okretaja i vijkom s fiksnim krilima. Razvojem statičkih pretvarača frekvencije, asinkroni motori su dobili karakteristike upravljanja prije svojstvene samo istosmjernim motorima što je omogućilo njihovu upotrebu u reguliranim elektromotornim pogonima. Kako je zbog velike potrošnje goriva kod malih brzina i razvoja statičkih pretvarača frekvencije koncepcija elektromotornog pogona brodskog vijka s prekretnim krilima i konstantnim brojem okretaja uglavnom napuštena, propulzijski asinkroni kavezni motori se danas na novogradnjama susreću uglavnom u sklopu frekventno reguliranih pogona propelera s fiksnim krilima. Smatra se da je propulzijske asinkrone motore naj-ekonomičnije koristiti kod većih nominalnih brzina (ns= 900÷1800 min-1) i snaga do 8 MW iako se grade i motori za direktan pogon vijka koji imaju nisku nazivnu brzinu i veći broj polova. Tako na primjer Schottel ugrađuje u SEP seriju podtrupnih potisnika niskonaponske asinkrone kavezne motore snage od 1 do 3MW i visokonaponske snage od 3,5 do 5,5 MW. Broj okretaja se kreće od 170 do 305 min-1. Prednosti asinkronih kaveznih motora proizlaze iz jednostavne i robusne konstrukcije rotora. To su:

• jednostavno održavanje • niska cijena • dobra mogućnost preopterećenja • robusnost i pouzdanost • male dimenzije i težina • jednostavnije upravljanje.

Proizvodnja asinkronih motora je zbog jednostavne izvedbe rotora i odsustva dodatnih namotaja i uređaja (npr. prigušni kavez, uzbudnik i klizni koluti kod sinkronih motora), te korištenja standardnih materijala (bakar, dinamo-limovi, čelik, izolacija) relativno jeftina. U

potpuno zatvorenoj izvedbi, primjerice unutar podtrupnog potisnika, asinkroni motor ne zahtijeva nikakvo održavanje. Zbog kompaktne izvedbe izvlačenje rotora je jednostavnije i manje rizično nego kod drugih vrsta motora. Robusni dobro učvršćeni namotaji uz visok prekretni moment omogućuju veća kratkotrajna preopterećenja od sinkronih motora. Asinkroni motori su izuzetno pouzdani, a najčešći kvarovi su vezani za ležajeve. Kvalitetno napravljeni asinkroni propulzijski motori mogu bez održavanja i zastoja odraditi ekonomski vijek broda. U odnosu na sinkrone motore kod pokretanja asinkronih motora nije potrebno određivanje pozicije rotora što pojednostavljuje sustav upravljanja. Asinkroni se motor razlikuje od istosmjernih i sinkronih po tome što nema klasične uzbude pa je jako izražen problem gubitka magnetskog protjecanja u zračnom rasporu, što je i osnovni uzrok njegovim nedostacima:

• manji zračni raspor • niži stupanj korisnosti • niži faktor snage.

Smanjenje zračnog raspora osnovni je problem konstruktora asinkronih motora, posebno kada su u pitanju velike snage i male brzine. Iako jednostavna i kompaktna izvedba rotora i suvremena tehnologija izrade dozvoljava maksimalno smanjenje zračnog raspora, ostaje problem zračnosti ležaja. Na velikim asinkronim propulzijskim motorima (20 MW, 180 min-1) uspjelo se smanjiti zračni raspor na 5mm.. Usporedbe radi klasični sinkroni propulzijski motori s uzbudnim namotima iste nazivne snage i brzine imaju zračni raspor od 8 do 12 mm. Usprkos čvršćoj i kompaktnijoj konstrukciji zbog malog zračnog raspora asinkroni motori su stoga osjetljiviji na mehaničke udarce i vibracije. Također, tako mali zračni raspor zahtijeva vrlo preciznu izradu, montažu i ugradnju motora. Već i malo povećanje zračnog raspora jako ublažava sve navedene probleme, ali na žalost istovremeno primjetno kvari stupanj korisnosti i faktor snage. Kako su propulzijski elektromotori napajani iz statičkih pretvarača frekvencije, moguće je traženu brzinu dobiti različitim kombinacijama nazivne frekvencije fn i broja pari polova p sukladno formuli za sinkronu brzinu:

pf60nS = .

Nazivna brzina je naravno zbog klizanja otprilike 3% manja što, međutim nije značajno za ovo razmatranje. Manje dimenzije i težina postižu se za istu brzinu odabirom većeg broja polova i naravno proporcionalno većom frekvencijom, ali se tako pogoršava faktor snage, a prema tome, zbog veće struje, i stupanj korisnosti. Ne tako davno je frekventno upravljanje velikim propulzijskim asinkronim motorima bilo moguće samo putem ciklokonvertera, a njegova niska izlazna frekvencija nije uvijek pogodovala primjeni asinkronih motora za direktni pogon brodskog vijka. Današnji ŠIM pretvarači velikih snaga mogu traženom frekvencijom napajati asinkrone motore s optimal-nim brojem polova pa su oni sada konkurentniji. U varijanti s reduktorom asinkroni motori se odavna smatraju povoljnijim rješenjem. Sinkroni motori Sinkroni motori se tradicionalno koriste u električnoj propulziji još od njenih početaka, kada se broj okretaja regulirao promjenom brzine pogonskih strojeva, uglavnom parnih turbina, ali je njihova dominacija započela pojavom tiristorskih pretvarača frekvencije

koji su na zadovoljavajući način riješili regulaciju brzine, ali i problem pokretanja. Pogodovala im je niska izlazna frekvencija ciklokonvertera i mogućnost korištenja sinkrokonvertera koji su dugo vremena bili jedini dovoljno snažni pretvarači frekvencije za električnu propulziju. Sinkroni strojevi desetljećima dominiraju na području električnih propulzija najvećih snaga koje za pogon brodskih vijaka velikih promjera zahtijevaju mali broj okretaja. Donja ekonomična granica nazivne brzine velikih sinkronih motora je oko 80 min-1, bez ograničenja po snazi što u potpunosti zadovoljava potrebe električne propulzije najvećih brodova. Zahvaljujući uzbudnim namotima sinkroni motori mogu imati veliki zračni raspor (>12 mm), pa njihova izrada i ugradnja zahtijevaju manju preciznost, a uz to su jako otporni na mehaničke udarce i vibracije. Uzbuda omogućuje i rad s visokim faktorom snage koji se po želji može mijenjati. Usprkos velikom broju dijelova i kompliciranijoj konstrukciji zbog osiguravanja uzbude, cijena sinkronih motora nije previsoka jer se za razliku od motora s permanentnim magnetima koriste samo standardni jeftini materijali. Tome svakako doprinosi i velika raširenost sinkronih strojeva (posebno generatora) te prema tome i uhodana proizvodnja s osiguranim tržištem. Prednosti sinkronih motora s klasičnom uzbudom su dakle:

• kompatibilnost s ciklokonverterom i sinkrokonverterom • veliki zračni raspor • vrlo velike snage • visok faktor snage • visok stupanj korisnosti • niska cijena.

Postoji međutim i niz nedostataka: • velika masa • veliki promjer i dimenzije • složenije održavanje • manja pouzdanost.

Zbog glomaznijeg rotora s uzbudnim namotajima i pripadajućeg sustava napajanja uzbude klasični sinkroni motori su primjetno većeg promjera i mase od asinkronih motora i posebno sinkronih motora s permanentnim magnetima. Manja pouzdanost i obimnije održavanje također su posljedica relativno kompliciranog uzbudnog kruga koji obuhvaća veći broj dijelova i kontakata. Danas postoje dvije izvedbe napajanja uzbude sinkronih motora i obje se koriste kod propulzijskih motora: bezkontaktna s uzbudnikom i kontaktna preko kliznih koluta i četkica. Bezkontaktna varijanta je povoljnija glede održavanja jer nema ugljene prašine, trošenja kliznih koluta ni kontrole sile pritiska odnosno ispravnosti četkica i kliznih površina. Treba ipak imati na umu da je riječ o strojevima koji se vrte malom brzinom tako da nema brzog trošenja četkica, velikog iskrenja ni prašine. S druge strane uzbudnik povećava duljinu motora i mogućnost kvara, pa smanjuje pouzdanost. Dok su u slučaju kontaktne uzbude uzbudni ispravljači duplirani, odnosno postoji hladna rezerva, kod bezkontaktne uzbude se uzbudnik ne može jednostavno duplirati, pa je i glede raspoloživost bolja kontaktna inačica s kliznim kolutima i četkicama. Danas se, posebno u sklopu podtrupnih potisnika, polako napuštaju klasični sinkroni motori s uzbudnim namotima, a zamjenjuju ih sinkroni motori s permanentnim magnetima. Sinkroni motori s permanentnim magnetima Sinkroni motor s permanentnim magnetima na rotoru razlikuje se od konvencionalnog sinkronog stroja po tome što nema uzbudnih namota pa tako ni potrebe prijenosa električne

energije na rotor. Osim uzbudnih namota nestali su i uzbudni ispravljači, četkice i klizni koluti, odnosno rotacijski transformatori i tiristorskih regulatori napona, što sve značajno pojednostavljuje konstrukciju, upravljanje i održavanje, te povećava pouzdanost. Kako na rotoru nema namota, a magnetski tok mu je vremenski nepromjenljiv gubici u rotoru su praktično zanemarivi. Statorski paket je također relativno jednostavan i izrađen u obliku koji osigurava dobar prijenos topline na kućište. Zbog toga se sinkroni motori s permanentnim magnetima bez većih problema s hlađenjem izrađuju i u potpuno zatvorenoj izvedbi, što je posebno pogodno za podtrupne potisnike koji se hlade vodom preko kućišta. Tome pogoduje i izuzetno visok stupanj korisnosti, odnosno manje topline koju treba odvesti. Jednostavnost konstrukcije osigurava dobru otpornost na vibracije i mehaničke udare usprkos relativno malom zračnom rasporu. Najveća prednost sinkronih motora s permanentnim magnetima su mala težina i promjer, po čemu su najbolji među propulzijskim motorima koji se danas mogu naći na tržištu. Osnovni nedostatak im je vrlo visoka cijena, kao posljedica vrlo skupih NdFeB permanentnih magneta. Osim visoke cijene NdFeB magneti imaju još dva nedostatka: jako su osjetljivi na koroziju i teško se obrađuju što također povisuje cijenu izrade. Permanentni magneti su osjetljivi i na povišenu temperaturu koja im privremeno smanjuje remanentni magnetizam i koercitivnu silu. Ukoliko se pređe maksimalna dozvoljena temperatura (150ºC za NdFeB) magnetski se materijal nepovratno uništava, pa motori moraju biti projektirani tako da imaju male gubitke i dobro hlađenje. Zbog izuzetno velikih magnetskih sila demontaža motora s permanentnim magnetima je neizvediva u pogonskim uvjetima. PROPULZIJSKI PRETVARAČI Kako statički pretvarači izlazni napon odnosno struju formiraju diskretnom modulacijom na osnovi segmenata mrežnog napona (direktni pretvarači) ili segmenata ispravljenog napona (indirektni pretvarači) programiranim uključivanjem i isključivanjem elektroničkih ventila, predstavljaju potpuno nelinearne elemente, koji kao rezultat daju nesinusoidalni napon i struju propulzijskih elektromotora, ali i generatora i propulzijskih transformatora. U sustavima električne propulzije najvećih snaga dugo su dominirali mrežno komutirani tiristorski pretvarači (ciklokonverter i sinkrokonverter). Danas, zahvaljujući proizvodnji sve snažnijih i jeftinijih elektroničkih ventila i procesnih računala, sve se češće i kod sve većih snaga koriste ŠIM pretvarači frekvencije koji imaju manji sadržaj viših harmonika kako na motorskoj, tako i na mrežnoj strani. Sinkrokonverter Sinkrokonverter (Synchroconverter, LCI - Load Commutated Inverter) se zbog jedno-stavnosti izvedbe i mogućnosti postizanja najvećih snaga vrlo često koristi u sustavima električne propulzije ali naravno isključivo sa sinkronim propulzijskim elektromotorima. Kako bi se smanjile pulzacije u momentu motora i harmoničko izobličenje mrežnog napona, uzrokovani nesinusoidalnim oblicima struja, sinkrokonverteri se u sustavima elektri-čne propulzije uglavnom koriste u para-12-pulsnoj konfiguraciji prikazanoj na slici 3.47. Osnovu para-12-pulsne konfiguracije čine dva 6-pulsna sinkrokonvertera napajana iz

transformatora s fazno pomaknutim sekundarnim naponima (Yd i Yy), koje napajaju dva prostorno pomaknuta trofazna namotaja u statoru elektromotora. Rezultat je poništavanje harmoničkih komponenti momenta nastalih zbog 5. i 7. harmonika u strujama elektromotora.

ML1L2L3

Slika 3.47. Para-12-pulsna konfiguracija sinkrokonvertera Velika prednost para-12-pulsne konfiguracije je i potpuna električna odvojenost dva trofazna sustava što u slučaju kvara na propulzijskom transformatoru, pretvaraču ili dijelu motora jedne polovine sustava, omogućuje samostalni rad ispravne polovine sustava (half motor operation) i prema tome plovidbu s pola instalirane snage propulzije. Para-12-pulsna konfiguracija također jako smanjuje ukupno harmoničko izobličenje struje (THDi) generatora, a prema tome i ukupno harmoničko izobličenje napona mreže (THDu).

0

5

10

15

20

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49h

Ih[%]THDi = 26,77%

Slika 3.50. Harmonički spektar struje sinkronog motora napajanog iz

6-pulsnog sinkrokonvertera Ciklokonverteri Ciklokonverter je najstariji i za sada još uvijek jedini direktni pretvarač frekvencije u komercijalnoj upotrebi. Iako su prvi ciklokonverteri sa živinim ispravljačima korišteni još početkom tridesetih godina prošlog stoljeća, i danas su najčešće korišteni pretvarači u frekventno reguliranim elektromotornim pogonima velikih snaga, a male brzine. Danas se u sustavima električne propulzije uglavnom koriste para-12-pulsne konfiguracije sastavljene od dva nezavisna 6-pulsna ciklokonvertera napajana iz galvanski odvojenih fazno pomaknutih transformatora i priključena na odvojene namotaje dvonamotnog propulzijskog elektromotora.

Praksa je pokazala da se s para-12-pulsnim ciklokonverterima u blokirnom spoju (Slika 3.53.) postiže dovoljno miran rad propulzijskih motora. Para-12-pulsni ciklokonverter je pandan para-12-pulsnom sinkrokonverteru, a sastoji se od dva nezavisna 6-pulsna ciklokonvertera napajana iz fazno pomaknutih transformatora koji napajaju propulzijski motor s dvostrukim prostorno pomaknutim namotima.

ML1L2L3

Slika 3.53. Para-12-pulsna konfiguracija ciklokonvertera Nedostatak ciklokonvertora je njegov vrlo složen harmonički spektar izlaznog napona, ali još važnije i mrežne struje. Pored cjelobrojnih harmonika u frekvencijskom spektru izlaznog napona pojavljuju i međuharmonici čiji se red mijenja s promjenom frekvencije izlaznog napona. Za motor su najnepovoljniji međuharmonici i harmonici niskih frekvencija koje njegov induktivitet mnogo slabije prigušuje te se u struji javljaju jači harmonici.

0123456

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49h

I2(h)[%]THDi = 11,35%

Slika 3.58. Harmonički spektar struje propulzijskog elektromotora napajanog iz 6-

pulsnog ciklokonvertera kod pola brzine

Najznačajnija prednost ciklokonvertera je jednostavna mrežna komutacija tiristora. Odsutnost komutacijskih krugova daje izuzetno jednostavnu konfiguraciju energetskog sklopovlja ciklokonvertera i stoga pojednostavnjuje popravak, kontrolu i održavanje. Sklopovski gledano, prednost ciklokonvertera pred pretvaračima s istosmjernim međukrugom je i činjenica da nemaju vlastitih glomaznih skladišta energije poput kondenzatora kod ŠIM pretvarača, odnosno prigušnica kod sinkrokonvertera. S druge strane nepostojanje vlastitih skladišta energije, što je bit direktne pretvorbe, razlog je snažnog utjecaja promjena u izlaznom naponu na harmoničko izobličenje ulazne struje, tako da se kod ciklokonvertera u njoj uz harmonike, javljaju i nepoželjni međuhar-monici i subharmonici. Pored vrlo složenog harmoničkog spektra, osnovni nedostatak ciklokonvertera je i vrlo nizak faktor snage prema mreži. Zbog varijacija u kutu vođenja tiristora ispravljačkih mostova tijekom poluperiode izlaznog napona, potrebnog za postizanje približno sinusoidalne struje, faktor snage ciklokonvertera u najpovoljnijem slučaju, a to je kod punog broja okretaja, obično iznosi oko 0,75. Kod smanjivanja brzine mora se uz frekvenciju, daljnjim povećavanjem kuta vođenja u svim dijelovima poluperiode, smanjivati i napon elektromotora, pa pri malim brzinama ciklokonverter radi s izuzetno niskim faktorima snage, što izaziva probleme kod projektiranja u električne centrale. Kao prednosti ciklokonvertera treba svakako navesti i jednostavan rad u sva četiri kvadranta, bez dodatnog sklopovlja, te odličnu dinamiku kod pokretanja i malih brzina, što je posebno važno za brodove koji se često podvrgavaju naglim manevrima. Širinsko-impulsno modulirani (ŠIM) pretvarači frekvencije Širinsko-impulsno modulirani (PWM - Puls Width Modulated) pretvarači frekvencije danas su daleko najrasprostranjeniji industrijski statički pretvarači. Odlikuje ih velika fleksibilnost, preciznost i odlična dinamika, te kompatibilnost sa svim vrstama izmjeničnih motora. Pored asinkronih kaveznih motora koji su najčešći izbor, zahvaljujući približno sinusnom izlaznom naponu i struji, ŠIM pretvarači i u kombinaciji s klasično uzbuđenim sinkronim motorima i sinkronim motorima s permanentnim magnetima daju bolje rezultate od svih drugih vrsta pretvarača frekvencije. Širinsko-impulsno modulirani (ŠIM) pretvarači su podvrsta pretvarača frekvencije s utisnutim naponom. Kao i svi indirektni ispravljači sastoje se od ispravljača i izmjenjivača. Dok su se još prije desetak godina kao ispravljači koristili mnogo jeftiniji diodni mosni ispravljači u 6,12,18,24,36 ili 48-pulsnoj konfiguraciji u električnoj propulziji su danas uobičajeni aktivni ispravljači koji rade na sličan način kao i ŠIM izmjenjivači, te tako postižu

približno sinusoidalnu mrežnu struju što je od izuzetnog značaja za kvalitetu napona (THDu) brodske mreže. Kvaliteta struje motora i struje koju takvi pretvarači frekvencije uzimaju iz mreže direktno ovisi o frekvenciji prekapčanja punoupravljivih ventila (obično oko 1500 Hz). Uz dovoljno visoku frekvenciju prekapčanja najveći harmonici napona se javljaju na relativno visokim frekvencijama koje induktivitet motora lako filtrira pa se povećavanjem frekvencije prekapčanja učinkovito smanjuje THDi, a s njime i vibracije i gubitci u bakru namotaja. Pri tome se, na žalost, povećavaju gubitci prekapčanja, smanjuje stupanj korisnosti pretvarača, a značajno rastu i gubici u željezu motora. Kod velikih snaga, kakve se susreću u sustavima električne propulzije je izuzetno važno optimirati frekvenciju prekapčanja kako bi ukupni gubici bili najmanji. Kod širinsko-impulsno moduliranih pretvarača frekvencije većih snaga koristi se visoki napon kako bi se smanjila struja a time i gubitci. Pri tome se javlja problem velikih gubitaka prekapčanja koji osim o radnoj frekvenciji i struji ovise i o naponu prekapčanja. Kako bi se smanjili gubici prekapčanja kod ŠIM pretvarača građenih za visoke napone primjenjuju se izmjenjivači s više naponskih nivoa (multi level). Smanjenje gubitaka zasniva se na činjenici da su gubici prekidanja struje proporcionalni umnošku napona i struje koja se prekida. Ako se na ulaz izmjenjivača, koji radi sa širinsko impulsnom modulacijom umjesto jednog istosmjernog napona dovede nekoliko, izmjenjivač više neće potpuno prekidati struju već samo prekapčati s višeg na niži naponski nivo. Osnovna prednost ŠIM pretvarača frekvencije i osnovni razlog njegovog nastanka je približno sinusoidalna struja motora koja se povećanjem radne frekvencije može po volji poboljšati. Uz takvu struju postiže se mirniji rad propulzijskih elektromotora, a primjenom suvremenih algoritama upravljanja i odlična dinamika elektromotornog pogona. ŠIM pretvarači mogu kao i ciklokonverteri upravljati brzinom vrtnje sinkronih i asinkronih motora.

L1L2L3

M3~

YY

Slika 3.68. Visokonaponski ŠIM pretvarač frekvencije s tri nivoa napona i aktivnim (ŠIM) ispravljačem

HARMONIČKO IZOBLIČENJE NAPONA Osnovni problem koncepcije objedinjenog elektroenergetskog sustava s potpuno integriranim sustavom električne propulzije su harmoničko izobličenje napona mreže i komutacijski propadi napona koji nastaju kao posljedica rada propulzijskih pretvarača. Za razliku od koncepcije odvojenih električnih sustava propulzije i preostale potrošnje, u kojoj smanjena kvaliteta energije ostaje samo unutar sustava propulzije, u koncepciji objedinjenog elektroenergetskog sustava s potpuno integriranim sustavom električne propulzije (IFEP) zagađenje se širi mrežom i ugrožava cijeli elektroenergetski sustav. Viši harmonici izazivaju torzijske vibracije, buku, smanjenje snage i znatno povećanje gubitaka, odnosno smanjenje stupnja korisnosti priključenih uređaja. Kratkotrajni kratki spojevi, koji se kod mrežom vođene komutacije javljaju u trenucima komutiranja struje

među fazama, uzrokuju komutacijske propade napona i prenaponske pojave koje mogu izazvati pregaranje osigurača, greške u radu, proboje izolacije i druge vrste kvarova. Posebno su osjetljivi kondenzatori koji na višim frekvencijama (viši harmonici) imaju višestruko manju reaktanciju pa kroz njih teku znatno veće struje te se pregrijavaju i pregaraju. Necjelobrojni harmonici (koji nisu višekratnici frekvencije osnovnog harmonika) tzv. međuharmonici u interferenciji s osnovnim harmonikom stvaraju relativno spore periodičke promjene u valnom obliku napona i tako na žaruljama izazivaju primjetno i vrlo neugodno treperenje svjetlosti. Najsporije promjene intenziteta svjetlosti se javljaju kada su frekvencije međuharmonika bliske frekvenciji mreže. Pri tretiranju harmoničkog izobličenja napona postoji bitna razlika između kopnenih i brodskih elektroenergetskih sustava. Brodski sustavi su mali i imaju relativno veliku reaktanciju generatora te točno definiranu potrošnju. Na visokonaponsku brodsku mrežu priključuje se vrlo mali broj trošila koja stoga nije teško pa ni osobito skupo predimenzionirati, kako bi mogla funkcionirati u uvjetima napajanja s jako izobličenim naponom. Ostale brodske mreže predstavljaju mnogo manji dio potrošnje pa se, zahvaljujući relativno velikoj reaktanciji distribucijskih transformatora, njihov THDu može relativno jednostavno popraviti primjenom harmoničkih filtara. Na kopnenim sustavima je situacija obrnuta jer se izvori harmoničke distorzije uglavnom nalaze na nižim naponskim nivoima, pa se uslijed narastajućih problema s harmoničkim izobličenjem napona uvode sve stroži zahtjevi glede harmoničkog spektra struje nelinearnih trošila. Zbog toga su se posljednjih godina na tržištu pojavili i ŠIM pretvarača frekvencije s aktivnim ispravljačima vrlo velike snage s relativno niskim harmoničkim izobličenjem struje koji su ubrzo primijenjeni i u sustavu brodske električne propulzije. Klasifikacijska društva na naponskim nivoima na koje su priključeni propulzijski pretvarači dozvoljavaju vrlo visoke vrijednosti THDu koje u pojedinim slučajevima prelaze 10%, dok se na ostalim mrežama dozvoljava najviše 5%. Postoje i ograničenja po maksimalnoj vrijednosti pojedinačnih harmonika na maksimalno 3% ili do 5% vrijednosti osnovnog harmonika, što se sve od registra do registra prilično razlikuje pa treba posebno provjeriti. Određivanje harmoničke distorzije napona međutim ne završava s izborom propulzijskog pretvarača, jer na nju presudan utjecaj imaju i drugi čimbenici kao što su izbor generatora i propulzijskih transformatora i mogućnost ugradnje harmoničkih filtara. THD THD (Total Harmonic Distortion) je oznaka za ukupno harmoničko izobličenje napona (THDu) ili struje (THDi). Nakon što je provedena harmonička analiza valnog oblika („sinusoide“), što znači da je razvijen u Fourierov red, te su na taj način dobivene efektivne vrijednosti pojedinih harmonika ( U(1), U(2), U(3)...) THDu se računa kao srednja kvadratna vrijednost svih viših harmonika (korijen od sume kvadrata) podijeljena s osnovnim (prvim) harmonikom, odnosno prema formuli:

%100U

UTHDu

)1(

n

2h

2)h(

⋅=∑=

Harmonički izobličenu struju (koja odstupa od čiste sinusoide) stvaraju nelinearna trošila koja se ponašaju kao strujni izvori viših harmonika. Pojednostavljeno, elektromotorni pogon upravljan pretvaračem frekvencije uzima energiju iz mreže na osnovnom harmoniku da bi je većim dijelom potrošio na elektromotoru i teretu, a manjim pretvorio u harmoničke struje koje poput strujnog izvora utiskuje nazad u mrežu. Ta se harmonička struja grana po mreži sve do najsitnijih trošila obrnuto proporcionalno njihovim impedancijama (manja impedancija – veća struja) i prema tome najvećim dijelom odlazi na mjesto gdje je impedancija najmanja, a to je generator. Na njegovoj reaktanciji harmonička struja stvara pad napona koji je proporcionalan veličini struje harmonika i početnoj reaktanciji generatora. Taj harmonički pad napona na reaktanciji generatora je ujedno i napon harmonika na brodskoj mreži iz kojeg se može kako je već opisano odrediti THDu. Ako centrala radi s dva generatora onda je zbroj njihovih impedancija odnosno ukupna impedancija dvostruko manja (paralelni spoj), pa je uz istu harmoničku struju ili THDi pad napona dvostruko manji, a prema tome i napon harmonika odnosno THDu također dvostruko manji. To znači da se uključivanjem dodatnog generatora na mrežu trenutno značajno smanji THDu, ali nakon što se poveća opterećenje propulzije (poriva) zbog čega se novi generator vjerojatno i priključio dolazi do povećanja harmoničke struje pa prema tome i ponovnog porasta THDu kako se to vidi na slici.

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

I(1)/In

THDu

Slika 5.61. Ovisnost harmoničkog izobličenja napona o opterećenju propulzije Mjere za smanjenje THDi i THDu Iako je THDi u većoj mjeri određen karakterom nelinearnog tereta odnosno u ovom slučaju vrstom propulzijskog pretvarača, koji predstavljaju izvor harmoničke struje, on se može jako smanjiti korištenjem propulzijskih transformatora ili prigušnica velikog induktiviteta odnosno uK. Zato propulzijski transformatori u uvijek imaju mnogo veći uK od distribucijskih. Harmonički filtri Ugradnja harmoničkih filtara je vrlo učinkovit način smanjenja harmoničkog izobličenja napona. Uobičajeno se koriste pasivni harmonički filtri u obliku serijskog spoja prigušnice i kondenzatora, čija je rezonantna frekvencija podešena tako da odgovara frekvenciji harmonika koji se želi poništiti, što je već objašnjeno i simulirano u poglavlju 4.1.5. Pasivni filtar na ciljanom harmoniku predstavlja vrlo mali otpor pa se kroz njega

zatvara najveći dio harmoničke struje. Kako se time smanjuje harmonička struja koja prolazi kroz dio serijskog induktiviteta iznad filtra, smanjuje se na filtriranom dijelu sustava i harmonik napona. Osim na frekvenciji ciljanog harmonika, harmonički filtar ima relativno mali otpor i na svim višim frekvencijama pa se tako djelomično prigušuju i svi viši harmonici napona (Slika 4.23). Spomenuta prigušenja najčešće ipak nisu dostatna za rješenje problema dominantnih harmonika nižih frekvencija. Kako se u harmoničkom spektru pretvarača u pravilu ističe više frekvencija potrebno je ugraditi onoliko filtara koliko se viših harmonika želi poništiti. Kod tiristorskih pretvarača frekvencije uobičajeno je koristiti 3-stupanjske i 4-stupanjske pasivne harmoničke filtre. Treba napomenuti da se kod mnogopulsnih konfigu-racija često moraju filtrirati i harmonici koji se poništavaju (najčešće 5. i 7.) jer zbog nesimetrije može zaostati i do 20% njihove vrijednosti na pretvaraču.

G G G

~~

M

1

~~

M

1

2

3

2

3

4 4

VN GRP

NN GRP

PR

Slika 5.95. Moguće pozicije priključka harmoničkih filtara

Na pojednostavljenom prikazu elektroenergetskog sustava broda s električnom propulzijom predočenom na slici 5.95. označene su moguće pozicije za priključak filtara:

1. paralelno pretvaraču na sekundar propulzijskih transformatora, 2. na glavnu (visokonaponsku) sabirnicu, 3. na glavnu niskonaponsku sabirnicu (440V), 4. na sabirnicu u ploči rasvjete.

Priključivanje harmoničkih filtara paralelno pretvaraču frekvencije (pozicija 1) se često koristi u kopnenim sustavima. To je vrlo efikasan i jeftin način za smanjenje harmoničkog izobličenja mrežne struje pretvarača. Prigušnica ili transformator imaju za ciljani harmonik mnogo veću impedanciju nego filtar pa harmonička struja praktički niti ne ulazi u sistem. Oni također onemogućuju eventualno preopterećenje filtra zbog povećane vrijednosti ciljanog harmonika napona uzrokovane radom drugih nelinearnih uređaja na mreži. Kako se tiristorski propulzijski pretvarači u pravilu grade u para-12-pulsnoj konfiguraciji ovo rješenje nije pogodno za primjenu na brodu, jer bi filtri filtrirali i harmonike koji se kasnije poništavaju na glavnoj sabirnici. Ugradnja filtara na glavnu (visokonaponsku) sabirnicu (pozicija 2) je rjeđe korišteno rješenje koje ima niz prednosti, ali i nedostataka. Osnovna je prednost što se značajno smanjuju harmoničke struje i odgovarajući gubici u generatorima. Filtrira se cijeli visokonaponski sustav pa je harmoničko izobličenje napona u cijelom elektroenergetskom sustavu uključujući i visokonaponska trošila manje. Pravilnim dimenzioniranjem filtara ostvaruje se kompenzacija jalove energije, odnosno povećava faktor snage opterećenja

generatora, koji prema tome mogu biti manji, lakši i jeftiniji. Iz istog razloga su manji i gubici u bakru generatora. Ključni nedostatak ovakvog rješenja je velika snaga, masa, volumen i cijena takvih filtara. Nisu zanemarivi niti gubici koji nastaju prolaskom struje osnovnog harmonika kroz filtre. Kada je sustav električne propulzije isključen moraju se isključiti i filtri jer tada za generatore predstavljaju veliko kapacitivno opterećenje. Češće korišteno rješenje je priključak harmoničkih filtara na glavnu niskonaponsku sabirnicu (pozicija 3). U takvoj konfiguraciji filtri nemaju primjetan utjecaj na visokonaponski dio sustava koji je dakle nefiltriran i stoga izložen relativno velikim harmoničkim izobličenjima napona, pa visokonaponska oprema mora biti projektirana za rad u takvim uvjetima. To se ponajprije odnosi na povećanje snage generatora, ali i svih ostalih električnih strojeva priključenih na visokonaponsku sabirnicu. Funkcija ovih filtara je isključivo osigurati zahtijevanu kvalitetu napona u niskonaponskom sustavu, neovisno o tome da li do harmoničkog izobličenja dolazi zbog prenošenja harmoničkog izobličenja napona s visokonaponske mreže, utjecaja nelinearnih trošila u niskonaponskoj mreži ili oboje. Ispravno projektirani filtri i na ovoj poziciji kompenziraju jalovu snagu niskonaponske potrošnje, ali time smanjuju samo potrebnu snagu i gubitke transformatora. Kako bi harmoničko izobličenje napona moralo biti unutar dozvoljenih granica već na glavnoj niskonaponskoj razvodnoj ploči, vrlo je rijetko potrebna ugradnja harmoničkih filtara u ploču rasvjete (pozicija 4). Mogući razlozi povećanog harmoničkog izobličenja napona u mreži rasvjete su opisani u poglavlju 4.:

• kompenzacija jalove snage svjetiljki, • veliki udio elektroničkih prigušnica bez regulatora cosφ u potrošnji, • veliki udio prekidačkih izvora napajanja u potrošnji.

Iz slike 4.23. se može vidjeti da pasivni harmonički filtri mogu ući u rezonanciju s impedancijom sustava i tako povećati harmonike nižih frekvencija od filtrirane. Na spomenutoj slici jasno se naime vidi višestruko povećanje 3. harmonika. Treći harmonik se srećom ne može zatvoriti u simetričnim trofaznim sustavima bez nul-vodiča, ali zato postoji cijeli niz harmonika nižih frekvencija koji to mogu. Najveći problem kod projektiranja pasivnih harmoničkih filtara je upravo otklanjanje mogućnosti rezonancije filtra s induktivitetima u elektroenergetskom sustavu. Ne treba zaboraviti da se u brodskom elektroenergetskom sustavu serijski induktivitet pa i rezonantna frekvencija pasivnih filtara mijenja s promjenom broja priključenih generatora. Opasnost od rezonancije je izrazito velika kod primjene ciklokonvertera, kada se u mrežnoj struji javljaju međuharmonici i subharmonici posebno niskih frekvencija ovisnih o trenutnoj frekvenciji propulzijskog elektromotora. Stoga se pasivni harmonički filtri u pravilu ne ugrađuju na sustave s ciklokonverterima. Komutacijski propadi napona Kod mrežno komutiranih (diodnih i tiristorskih) ispravljača prilikom svake komutacije struje između elektroničkih ventila odnosno faza dolazi do kratkotrajnog kratkog spoja koji traje sve dok struja ne pređe s jedne faze na drugu. Ovom kratkom spoju se opire samo ukupna reaktancija propulzijskog transformatora i generatora, pri čemu je reaktancija propulzijskog transformatora mnogo veća i stoga značajnija pa se njenim povećanjem bitno smanjuje struja takvih kratkih spojeva. S druge strane, poželjno je da reaktancija generatora bude što manja kako bi ta struja na njoj napravila što manji propad napona. Kao i u slučaju viših harmonika, komutacijski propadi se također smanjuju s povećanjem broja priključenih generatora. Komutacijski propadi napona za različite kutove vođenja prikazani su na slici.

Slika: Komutacijski propadi napona kod različitih kutova vođenja tiristora