Электрооборудование корабля
Электрооборудование корабля: обзор учебного пособия
Введение в корабельное электрооборудование
Учебное пособие "Электрооборудование корабля" под авторством А.Н. Гулевича, В.В. Матковского и П.А. Сошкина представляет собой комплексное руководство по теории, устройству, принципу действия и техническому обслуживанию основных видов корабельного электрооборудования. Книга адресована курсантам военно-морских учебных заведений, студентам высшего и среднего профессионального образования, изучающим судовые энергетические установки и электроэнергетические системы, а также может быть полезна студентам других специальностей, изучающим электротехнику и электрооборудование.
Исторический обзор развития корабельной электроэнергетики
Авторы начинают с краткого исторического обзора развития корабельной электроэнергетики, выделяя несколько ключевых этапов. Первый этап (1838–1886 гг.) ознаменовался появлением электроэнергии на кораблях, второй (1886–1904 гг.) — внедрением электроприводов, третий (1904–1917 гг.) — развитием первых корабельных электроэнергетических систем, четвертый (1917–1944 гг.) — всесторонней электрификацией кораблей, пятый (1944–1977 гг.) — внедрением переменного тока, и, наконец, шестой (с 1970 г. по настоящее время) — решением проблем повышения надежности, живучести и безопасности КЭС.
Общие сведения о корабельном электрооборудовании
В пособии рассматриваются основные компоненты корабельного электрооборудования: электрические станции, электрические сети и потребители электроэнергии. Электрические станции включают генераторы с первичными двигателями (турбогенераторы, газотурбогенераторы, дизель-генераторы) и преобразователи электроэнергии. Электрические сети делятся на основные, распределительные и специальные. Потребители электроэнергии классифицируются по назначению (вооружение, защита, энергетическая установка, палубные механизмы, освещение, приборы и т.д.) и по степени важности (I, II, III категории).
Требования к корабельному электрооборудованию
Авторы подчеркивают, что корабельное электрооборудование должно соответствовать ряду специфических требований, обусловленных условиями эксплуатации. К ним относятся надежность, живучесть, уменьшение внешних полей и помех, безопасность эксплуатации, простота обслуживания, минимальный вес и габариты, а также необходимый срок службы.
Трансформаторы: назначение, устройство и режимы работы
В пособии подробно рассматриваются трансформаторы, их назначение, принцип действия, устройство и режимы работы. Описываются однофазные и трехфазные трансформаторы, их классификация, основные параметры (коэффициент трансформации, мощность, токи, напряжения), а также режимы работы (холостого хода, короткого замыкания, работы под нагрузкой). Отдельное внимание уделяется потерям в трансформаторах, коэффициенту полезного действия и особенностям трехфазных трансформаторов, включая схемы включения обмоток.
Специальные трансформаторы
В книге рассматриваются специальные трансформаторы, такие как автотрансформаторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также сварочные трансформаторы. Приводятся схемы включения, особенности конструкции и области применения каждого типа.
Машины постоянного тока: устройство, принцип действия и режимы работы
В пособии подробно рассматриваются машины постоянного тока, их устройство, принцип действия и режимы работы. Описываются устройство статора и ротора, принцип работы генераторов и двигателей постоянного тока, а также влияние реакции якоря и способы ее устранения. Рассматриваются вопросы коммутации, искрения на коллекторе, способы возбуждения машин постоянного тока, потери и коэффициент полезного действия.
Генераторы постоянного тока: типы и характеристики
Авторы подробно рассматривают генераторы постоянного тока, их типы (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением), характеристики и особенности работы. Отдельное внимание уделяется параллельной работе генераторов со смешанным возбуждением.
Электромашинные усилители
В пособии рассматриваются электромашинные усилители, их устройство, принцип действия, характеристики и область применения.
Двигатели постоянного тока: пуск, регулирование скорости и реверсирование
В книге подробно рассматриваются двигатели постоянного тока, их пуск, регулирование скорости и реверсирование. Описываются двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением, их характеристики и особенности работы.
Асинхронные двигатели: устройство, принцип действия и режимы работы
В пособии рассматриваются асинхронные двигатели, их устройство, принцип действия и режимы работы. Описываются устройство статора и ротора, принцип образования вращающегося магнитного поля, а также режимы работы асинхронных машин.
Способы пуска и регулирования скорости асинхронных двигателей
Авторы рассматривают способы пуска асинхронных двигателей (непосредственным включением в сеть, при пониженном напряжении) и регулирования скорости (изменением скольжения, числа полюсов, частоты тока).
Специальные трансформаторы
В книге рассматриваются специальные трансформаторы, такие как автотрансформаторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также сварочные трансформаторы. Приводятся схемы включения, особенности конструкции и области применения каждого типа.
Синхронные машины: устройство, принцип действия и режимы работы
В пособии рассматриваются синхронные машины, их устройство, принцип действия и режимы работы. Описываются устройство статора и ротора, принцип образования вращающегося магнитного поля, а также режимы работы синхронных машин.
Гребные электрические установки
В книге рассматриваются гребные электрические установки, их основные показатели, классификация, структура и функции. Описываются особенности работы ГрЭУ постоянного и переменного тока, а также способы регулирования частоты вращения гребных электродвигателей.
Аппаратура управления и защиты
Авторы рассматривают аппаратуру управления и защиты, ее назначение, классификацию, устройство и принцип действия. Описываются рубильники, контакторы, реле, автоматические выключатели, а также особенности технического обслуживания и характерные неисправности.
Системы распределения электроэнергии
В пособии рассматриваются системы распределения электроэнергии, применяемые на кораблях, их виды и особенности.
Корабельные кабели, провода и шнуры
Авторы рассматривают корабельные кабели, провода и шнуры, их конструкцию, марки и области применения.
Организация эксплуатации корабельных электроэнергетических систем
В книге рассматриваются вопросы организации эксплуатации корабельных электроэнергетических систем, включая руководящие документы, техническое обслуживание и ремонт.
Приборы управления кораблем, сигнализации и контроля
В пособии рассматриваются приборы управления кораблем, сигнализации и контроля, их назначение, устройство и принцип действия.
Химические источники тока
В книге рассматриваются химические источники тока, их классификация, устройство, принцип действия и область применения.
Заключение
В заключении авторы подчеркивают важность комплексного подхода к проектированию, строительству и эксплуатации КЭС для обеспечения надежной работы корабля.
Текст подготовлен языковой моделью и может содержать неточности.
- ВО - Бакалавриат
- 26.03.02: Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры
- ВО - Специалитет
- 26.05.02: Проектирование, изготовление и ремонт энергетических установок и систем автоматизации кораблей и судов
- 26.05.06: Эксплуатация судовых энергетических установок
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ КОРАБЛЯ А.Н. ГУЛЕВИЧ В.В. МАТКОВСКИЙ П.А. СОШКИН Москва ИНФРА-М 2025 УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
УДК 629.5(075.8) ББК 39.46я73 Г94 А в т о р ы: Гулевич А.Н., доцент, старший преподаватель кафедры устройства и живучести корабля Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова; Матковский В.В., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры устройства и живучести корабля Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова; Сошкин П.А., кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры устройства и живучести корабля Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова Р е ц е н з е н т ы: Лабутин С.Ф., кандидат технических наук, доцент, декан факультета судовождения и энергетики судов Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова; Свешников В.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой судовых энергетических установок факультета судовождения и энергетики судов Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова ISBN 978-5-16-020328-7 (print) ISBN 978-5-16-112895-4 (online) © Черноморское высшее военноморское училище имени П.С. Нахимова, 2025 ISBN 978-5-16-020328-7 (print) ISBN 978-5-16-112895-4 (online) В учебном пособии рассмотрены вопросы теории, устройства, принципа действия и технического обслуживания основных видов корабельного элек - трооборудования. Рассмотрены режимы работы электрических машин в составе корабельного электропривода. Дается понятие о видах и структуре корабельных гребных электроустановок. Изложены принципы распределения электроэнергии на корабле, структура и принципы построения корабельных распределительных сетей, защиты элементов корабельной электроэнергетической системы. Приведены рекомендации по технической эксплуатации корабельного электрооборудования и методике определения и устранения неисправностей в корабельных условиях. Может быть рекомендовано для курсантов военно- морских учебных заведений и студентов высшего и среднего профессионального образования, изучающих судовые энергетические установки, электроэнергетические системы. Может быть использовано в учебном процессе курсантами и студентами других специальностей, изучающих электротехнику и электрооборудование. УДК 629.5(075.8) ББК 39.46я73 Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium Гулевич А.Н. Г94 Электрооборудование корабля: учебное пособие / А.Н. Гулевич, В.В. Матковский, П.А. Сошкин. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 664 с. : цв. ил. — (Военное образование).
Введение Из всех известных видов энергии наиболее удобна и универсальна электрическая. Ее можно сравнительно просто получать путем преобразования энергии других видов (химической, механической, тепловой, световой и др.), передавать с малыми потерями на большие расстояния, легко превращать в другие виды энергии; она обладает свой ством делимости, т.е. может распределяться между потребителями любой мощности, позволяет осуществлять комплексную автоматизацию электрооборудования. Электрические машины, приборы и аппараты имеют высокий коэффициент полезного действия. Наконец, ряд процессов, осуществляемых в технике (радиосвязь, радионавигация, телевидение, телефония, телеграфия, электролиз, получение ядерной энергии и многие другие), невозможен без использования электроэнергии. Современные боевые корабли и морские суда оснащены большим числом разнообразных и сложных комплексов электротехнического оборудования различного назначения, совместное функционирование которых представляет собой корабельную электроэнергетическую систему (КЭС). 1 1 2 2 2 2 3 3 4 4 5 5 6 7 7 а б Рис. В1. Расположение элементов КЭС на корабле: а — часть боковой проекции корабля; б — план машинного отделения
На рисунке В1 представлен общий принцип расположения некоторых элемен тов КЭС на корабле. Главные двигатели 1 расположены в машинном отделении вместе со вспомогательными механизмами 3, предназначенными для обеспечения работы силовой установки и общекорабельных систем. Два генераторных агрегата 2 кормовой электростанции расположены по бортам кораб ля на платформе 6 машинного отделения. Главный распределительный щит (ГРЩ) 5 кормовой электростанции вместе с пультом управления 4 силовой установки и КЭС установлен в центральном посту управления 7, который выделен противошумными переборками в особое помещение на платформе машинного отделения. Из всех автономных электроэнергетических систем (АвЭС) корабельные и судовые ЭС являются самыми мощными и сложными ввиду особенностей их назначения, состава и функционирования. Развитие автономных электроэнергетических систем, к которым относятся и корабельные электроэнергетические системы, связано с развитием государственной электроэнергетической системы. Развитие корабельных электроэнергетических систем неразрывно связано с уровнем развития науки и техники в нашей стране и за рубежом, с созданием электроэнергетики в стране, внедрением электроэнергии в хозяйство, промышленность и в различные сферы нашей жизни. Известно, что новые удачно отработанные элемен ты, приемы и технические решения, используемые для корабельных систем, затем применяются на судах и в промышленности. Наблюдается и обратный процесс.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРАБЕЛЬНОМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ 1.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА ПО РАЗВИТИЮ КОРАБЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ В 1831 г. М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и изобрел первую электрическую машину — униполярный генератор. С тех пор электроэнергетика прошла большой путь от лабораторных исследований до создания мощных генераторов и современных электроэнергетических систем. Вместе с электротехникой и электроэнергетикой активно развивалась и корабельная, и судовая электроэнергетика. Развитие корабельных электроэнергетических систем можно условно разделить на несколько этапов. I этап (1838–1886). Появление электроэнергии на кораб лях и судах В 1838–1839 гг. академик Б.С. Якоби впервые применил электродвижение на лодке на Неве с использованием гальванических элемен тов и электромагнитного двигателя постоянного тока мощностью 3/4 л.с. Период до 1867 г. может быть назван в истории электроэнергетики как младенческий, так как лишь с этого года электрическая машина вышла из стен лаборатории на арену широкого промышленного применения. В 1869 г. на пароходах «Ильмень» и «Ижора» впервые проводятся опыты с прожекторными установками. Они связаны с именем П.С. Яблочкова, а затем (1877) с именем В.Н. Чиколева. В середине 70-х годов на кораб лях вводится боевое освещение в виде прожекторов. В качестве первичных двигателей для простейших генераторов используются паровые машины. В 1883 г. электрическим освещением оборудуется фрегат «Владимир Мономах», на котором освещаются 18 помещений. Для этого используются как лампы Ладыгина, так и лампы Эдисона. Всего 116 ламп. В эти годы на броненосце «Петр Великий» устанавливаются три генератора по 6 кВт, 200 аккумуляторов и 82 лампы.
II этап (1886–1904). Внедрение на кораб лях электроприводов В 1886 г. на крейсерах «Адмирал Ушаков», «Лейтенант Ильин» и др. были установлены электровентиляторы. На броненосцах «Наварин» и «Сысой Великий» (1894) электроэнергия напряжением 50–105 В, помимо использования для палубного освещения и боевых фонарей, применяется и для вентиляции и артиллерийских элеваторов. Суммарная мощность источников Р = 170 кВт, степень электрификации — до 15 Вт/т, электроэнерговооруженность — до 18 Вт/т. 12 ноября 1892 г. испытывается первый электрический рулевой привод мощностью 20 кВт, установленный на броненосце «Двенадцать апостолов». В 1895–1904 гг. на броненосце «Пересвет» создана электроэнергетическая система на постоянном токе напряжением 105 В. Это были самые мощные корабли того времени. В конце 90-х годов на строящихся подводных лодках электродвижение осуществлялось от аккумуляторов, и они стали основным источником электроэнергии в подводном положении. III этап (1904–1917). Этап внедрения и развития первых корабельных электроэнергетических систем В этот период внедряются системы с раздельным расположением генераторов и главных распределительных щитов (ГРЩ) — «Андрей Первозванный» (1906), «Император Павел I» (1907). На линкоре «Севастополь» (1911) устанавливаются шесть главных распределительных щитов с генераторами двой ного тока. Особое место в развитии ЭС этого периода занимает система линкора типа «Императрица Мария», где впервые используется переменный ток напряжением 225 В (частота f = 50 Гц, n = 3000 об/мин, cos ϕ = 0,7, Рг = 360 кВт). Возбудитель Рв = 15 кВт, U = 110 В. Установлены два вспомогательных генератора мощностью 200 кВт. Суммарная мощность генераторов КЭС равна 1840 кВт. На корабле используется магистральная система распределения. Напряжение в сети составляет 100 В. Параллельная работа генераторов исключается с помощью специальных механических блокировок. Впервые значительное внимание уделяется живучести всей электроэнергетической системы. В 1913 г. на крейсере «Измаил», построенном на Балтийском заводе, осуществлен принцип электростанций — предусмотрено совместное расположение генераторов и главных распределительных щитов. Реализована фидерная сеть распределения. Суммарная мощность источников РΣ = 2560 кВт. Допускается параллельная
работа. Используются генераторы двой ного рода тока. Появились корабельные дизель- генераторы. IV этап (1917–1944). Этап всесторонней электрификации кораблей После революции 1917 г. и восстановления народного хозяйства началось интенсивное строительство надводных кораблей и подводных лодок. По сравнению с показателями 1890–1900 гг. водоизмещение однотипных кораблей возросло примерно в 2,5 раза, суммарная мощность КЭС до 4,5 раз, электроэнерговооруженность примерно в 10 раз. В 1938 г. на линкоре «Марат» впервые в мире испытано размагничивающее устройство. На линкоре проекта 23 суммарная мощность РΣ = 7800 кВт, установлено 1460 электродвигателей суммарной мощностью 11 420 кВт. Увеличивается мощность подсистемы переменного тока. Окончательно внедряется напряжение 230 В. Для тяжелого крейсера проекта 69 спроектирована система с четырьмя турбогенераторами двой ного тока суммарной мощностью 1300 кВт и четырьмя дизель- генераторами по 650 кBт напряжением 230 В. Недостатком таких систем является отсутствие параллельной работы, громоздкость и сложность систем и сетей. Перед Великой Отечественной вой ной введен в строй эскадренный миноносец «Страшный» проекта 7УЭ на переменном токе. V этап (1944–1977). Внедрение переменного тока на надводные корабли и подводные лодки Техническим советом НТК в 1944 г. была утверждена новая концепция КЭС для боевых кораблей, которая заключалась в совместном размещении генераторов и ГРЩ, параллельной работе генераторов одной электростанции, внедрении переменного тока напряжением 400 В, создании систем электростанций с взаимосвязанными ГРЩ, увеличении резерва мощности систем, питании ответственных потребителей от двух бортов. После вой ны начинается активное внедрение переменного тока в КЭС. Строятся СКР проекта 50, эсминец проекта 41, а затем большая серия эсминцев проекта 56. Сначала создавались системы с напряжением 230 В, а затем, начиная с ракетного кораб ля проекта 57, на всех крупных надводных кораб лях используется электроэнергия с параметрами UN = 400 В, fN = 50 Гц. Только для дизельных
подводных лодок, тральщиков и некоторых других кораблей электроэнергия постоянного тока оставалась предпочтительней. В конце 50-х годов появляются атомные подводные лодки. Первые проекты атомоходов в силу их специфики унаследовали от дизельных подводных лодок системы постоянного тока. Но затем и здесь явные преимущества машин переменного тока вызвали необходимость создания комбинированных систем переменно- постоянного тока. В конце 60-х годов появляются ПЛА второго поколения с основной системой, использующей переменный ток. Начинают проектироваться надводные и подводные корабли с резервными движительными комплексами, работающими на переменном токе. VI этап (с 1970 г. по настоящее время). Решение проблемы повышения надежности, живучести и безопасности КЭС Повышение коэффициентов электроэнерговооруженности, увеличение мощности систем, насыщенность отсеков, внедрение атомной энергетики, сложная канализация электроэнергии — все это отрицательно сказалось на безопасности КЭС. Появилась острая необходимость повышения электробезопасности личного состава, обеспечения надежности элемен тов и всей системы в целом, обеспечения бесперебойности питания ответственных потребителей, ядерной безопасности, взрыво- и пожаробезопасности, живучести технических средств и кораб ля в целом. По объективным и субъективным причинам возросла роль электроэнергетической системы как системы, обеспечивающей многие аспекты жизнедеятельности кораб ля и его боевого использования. 1.2. ПОНЯТИЕ О КОРАБЕЛЬНОМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ Электрооборудование надводного кораб ля можно разделить на следующие три основные группы: электростанции, электрические сети и потребители электрической энергии (рис. 1.1). Генерирование электрической энергии и ее преобразование в соответствии с требованиями отдельных потребителей сосредоточено в электрических станциях. В качестве основных источников электроэнергии на кораб лях применяются турбогенераторы (ТГ), газотурбогенераторы (ГГ) и дизель- генераторы (ДГ). Для питания потребителей, требующих энергию, по своим параметрам отличающуюся от параметров основных источников, на кораб лях устанавливаются электромашинные и статические преобразователи электроэнергии.
Корабельное электрооборудование Электрические станции Генераторы с первичными двигателями Основная сеть Вооружение и защита Палубные механизмы Главные распределительные щиты Распределительная сеть Энергетическая установка Приборы и сигнальные устройства Преобразователи электроэнергии Сети специального назначения Системы и устройства Осветительные установки Бытовые потребители Электрические сети Потребители электроэнергии Рис. 1.1. Классификация корабельного электрооборудования Электрические сети предназначаются для передачи и распределения электроэнергии по кораблю. Они включают систему электропроводки и различного рода распределительные устройства с их аппаратурой. Их принято разделять на основные, распределительные и специальные. Основной сетью называется сеть, соединяющая источники электроэнергии с главными распределительными щитами (ГРШ), и последние между собой. Распределительная сеть — это сеть, соединяющая ГРЩ с потребителями электроэнергии. Специальные сети предназначены
для передачи электроэнергии к отдельным потребителям, которые по своим электрическим параметрам (роду тока, величине напряжения и частоты) отличаются от принятых в основной сети. Потребители электроэнергии в соответствии с их назначением служат для превращения электрической энергии в механическую, световую, тепловую, химическую и другие виды энергии. В соответствии с назначением их обыч но разделяют на следующие группы: I — потребители вооружения и защиты; II — потребители энергетической установки; III — потребители систем и устройств; IV — палубные механизмы; V — осветительные устройства; VI — приборы и сигнальные устройства; VII — бытовые потребители и другое оборудование. В зависимости от обеспеченности питанием все потребители делятся на три категории: I категория — основные наиболее ответственные потребители, перерыв в подаче питания которых недопустим (потребители, обеспечивающие работу главной энергетической установки, использования оружия, работу приборов управления кораблем, гирокомпасы и т.п.); II категория — основные потребители, для которых могут быть допущены кратковременные перерывы в подаче питания на время ручного переключения питания (водоотливные, пожарные насосы, насосы системы охлаждения, машинные вентиляторы и т.п.); III категория — потребители, для которых могут быть допущены длительные перерывы в подаче питания (электронагревательные установки, бытовые потребители, станки и т.п.). 1.3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОРАБЕЛЬНОМУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЮ Электрооборудованию кораб ля приходится работать в тяжелых условиях. Большая влажность окружающей среды, наличие паров масла и топлива, значительные перепады температуры сильно снижают сопротивление изоляции электрооборудования. Корабли подвергаются качке, достигающей 45°. При работе корабельных механизмов и главных машин электрооборудование, как и все элемен ты кораб ля, находится под влиянием вибрации; при ходе во льдах и при боевых воздействиях оружия противника оно подвергается ударным сотрясениям. Кроме того, необходимость размещения большого количества оборудования в огра