P O D p r o p u l z i j a

Miroslav Crnić / Aleš Podnar

Brodski pogonski sustavi

1.1. Uvod

1. Uvod i povijesni pregled električne propulzije

2

Ideja električne propulzije datira još iz sredine XIX stoljeća. Međutim, inovacije na području upravljivosti i kontrole električnih motora s promjenjivim brzinama u širokom rasponu snaga, a preko kompaktnih, ali i cijenom prihvatljivih rješenja, upotreba električne propulzije zauzima sve značajnije mjesto tijekom 80. i 90. godina XX stoljeća.

Električna propulzija pogonjena plinskim turbinama ili diesel generatorima se koriste u stotinama brodova različitih namjena i konfiguracija (kruseri, trajekti, polagači kabela i cijevi, ledolomci, opskrbni brodovi, ratni brodovi,…).

Velika istraživanja na ovom polju govore u prilog značenju ove vrste pogona i za postojeće, ali i za neke nove aplikacije.

POD - propulzor pogonjenom elektromotorom koji je ugrađen u podvodno, strujno dobro oblikovano tijelo, engleski nazvano «pod» (slično mahuni).

POD - u tehničkom nazivlju - na hrvatskom je gondola (npr. balona, zrakoplovnog motora), a poddedpropulsor gondolski propulzor.

1.2. Povijest

1. Uvod i povijesni pregled elektro propulzije

3

Tablica 1.1. Povijesni prikaz

1838. god. Jacobi predstavio prvo plovilo na električni pogon

1913.god.US Navy “JUPITER” – teretnjak za prijevoz ugljena 12.700 t. deplasmana (1921. godine rekonstruiran u nosač zrakoplova USS Langley)

1920.-1930.god.gradnja većeg broja ratnih i putničkih brodova (dizel motori nemaju sposobnost reverziranja)

II svjetski rat porinuće preko 300 ratnih brodova i 530 tankera – razlog brza gradnja

sredina XX st.razvoj dizelskih motora, reduktora i vijaka usporava primjenu električne propulzije, osim na ledolomcima i istraživačkim brodovima

70. godine XX st. otkriće tiristora i reguliranih elektromotornih pogona

80. godine XX st. pojava statičkih pretvarača frekvencije

90. godine XX st. AZIPOD – podtrupni potisnici

2. POD proizvođači - pregled

4

Slika 2.1. AZIPOD

Na tržištu su prisutna dva glavna proizvođača: ABB i Rolls-Royce.

“Rolls-Royce”• proizvod tip: Mermaid pod• raspon snaga: 5MW – 25MW• surađuje s “Covnerteam” koja isporučuje elektične dijelove.

Osim ova dva proizvođača na tržištu su još:• SEP (Schottel Electric Propulsion) - samostalno proizvode uređaje manjih snaga, a u suradnji sa Siemensom (SSP – Siemens Schottel Propulsion) uređaje većih snaga,• neke japanske kompanije koje su predstavile svoje prototipe• Converteam – objavio da je razvio svoj POD.

“ABB”• kompanija s najvećim brojem isporučenih POD-a• dva tipa proizvoda: AZIPOD i Compact• AZIPOD: 5MW – 30MW• Compact: 400kW – 5MW• Isporučuje cjelokupno rješenje.

Slika 2.2. Rolls-Royce

Većina uređaja danas generalno imaju sličan dizajn.

Glavne karakteristike:

- montaža izvana, na dnu trupa broda

- mogućnost zakretanja POD-a 360° (prednosti: nepotrebno kormilo uz poboljšana manevarska svojstva u lukama i kanalima).

3. Mehanički pregled POD-a

5

Slika 3.1. AZIPOD Slika 3.2. Mermaid Slika 3.3. SSP

Kao što se vidi na slici, AZIPOD i Mermaid vrlo su slični, dok se SSP (Siemens Schottel Pod) nešto razlikuje zbog dva vijka.

MERMAID POD

Na slici 3.4 prikazan je presjek Mermaid uređaja - struktura koja se koristi u većini današnjih konstrukcija.

3. Mehanički pregled POD-a

6

Slika 3.4. Mermaid POD

Karakteristike: • Zajednička osovina rotora el.motora i vijka – nepotrebni prijenosnici!• Osovina je učvršćena na krajevima prstenovima koje isporučuje SKF (ABB i RR).• Čovjek prikazuje približan omjer veličine za 20MW POD• Raspon snage 0,4-5MW – manje konstrukcije.• Raspon snage 5-30MW veće konstrukcije.

3. Mehanički pregled POD-a

7

Slika 4.1 prikazuje principijelnu shemu sustava elektro propulzije. Uobičajeno se sastoji od dva seta POD-a jednake konfiguracije i koji su neovisni jedan o drugom.

4. Električni sustav POD propulzije

8

Slika 4.1. Razine upravljanja

Elektro sustav POD propulzije sastoji se od:

- izvora el.energije

- razvodnih ormara

- transformatora

- frekvencijskih pretvarača

- propulzijskih elektro motora.

Transformatori i pretvarači su smješteni u

POD prostoriji u brodu, dok je elektro motor smješten direktno u POD.

Za prijenos električne energije od pretvarača do motora koriste se klizni/kružni prstenovi.

4.1. Transformatori

Transformatori – omogućavaju podjelu elektro sustava na različite naponske nivoe, koji su pri tom i međusobno izolirani.

U POD propulziji zastupljeni su i uljni i suhi transformatori (uobičajeni i kod ABB i kod RR).

Izlazni dio transformatora, koji napaja POD sustav, prilagođen je ulaznom dijelu ispravljača / pretvarača.

4. Električni sustav POD propulzije

9

Slika 4.2. Transformatori

Slika 4.2 shematski prikazuje transformatore namjenjeni za 6, 12, 18 i 24 pulsna ispravljača.

4.2. Frekvencijski pretvarači

Svrha frekvencijskih pretvarača jest kontrola brzine i momenta motora pretvarajući konstantnu frekvenciju u promjenjivu (varijabilnu).

Razvoj poluvodičke tehnologije značajno je utjecao na različite dizajne pretvarača.

Pretvarači imaju i negativne efekte kao što su harmonici koji mogu jako onečistiti elektro mrežu.

4. Električni pregled POD propulzije

10

Slika 4.3.Frekvencijski pretvarači

U POD propulziji trenutno se koriste tri vrste pretvarača:

a) Load Commutated Inverter (RR) - tiristor

b) Cyclo pretvarač (ABB) – tiristor

c) VSI – upravljive sklopke (ABB – IGCT/Integrated gate commutated thyristor) / (RR – IGBT/Insulated gate bipolar transistor).

4.2. Frekvencijski pretvarači

4. Električni pregled POD propulzije

11

Tablica 4.1. Usporedba frekvencijskih pretvarača

LCI Cyclo VSI - PWM

POD (company)

Mermaid(RR) Azipod(ABB) Compact, Azipod(ABB), Mermaid(RR)

Prednosti Jednostavna i prilagodljiva konstrukcija. Jednostavan upravljački sustav.

Jaki moment na niskim brzinama.

Prilagodljiv i fleksibilan sa visokim performansama.

Nedostaci Bez jakog momenta na niskim brzinama.

Kompleksna konstrukcija.

Brza preklapanja poluvodičkih sklopki stvaraju struje vrlo visokih frekvencije što značajno povećava napon i opterećuje vodove.

4.2. Frekvencijski pretvarači

4. Električni pregled POD propulzije

12

Slika 4.4.Cyclo frekvencijski pretvarač

Primjer – najčešće korišteni Cyclo pretvarač.

Cyclo pretvarač – direktni tip, bez DC veze. AC napon motora se “konstruira” selektiranjem faznog segmenta dolaznog napona upravljanjem antiparalelnim tiristorskim mostom. Na slici je prikazana 12-pulsna konfiguracija, a napon motora se kontrolira preko 1/3 ulazne frekvencije (~20Hz) što omogućava široku primjenu u direktnim pogonima bez upotrebe prijenosnika. Ovakav tip pretvarača je obožavan na aplikacijama kod kojih se traže male brziname i velike performanse (ledolomci,…).

4.3. Elektro motori

Sinkroni motor – najčešće primjenjivan zbog visoke iskoristivosti na visokim snagama. Sinhron zato što se rotor vrti sinhronom brzinom tj. istom brzinom koju mu daje okretno magnetsko polje statora. Opremljen je strujnom uzbudom koja se napaja preko faznog pretvarača kojim mu se može mijenjati snaga.

Sinkroni motor s permanentnim magnetom – umjesto rotora opremljen je permanentnim magnetom zbog čega nema gubitaka u rotorskom dijelu. Ima ograničenja u primjeni za visoke snage zbog magnentne karakteristike materijala.

Indukcijski motori – najčešće primjenjivan motor u industrijskim aplikacijama zbog svoje robusnosti i jednostavne konstrukukcije, međutim primjenjuje se u POD-ima s manjim snagama.

4. Električni pregled POD propulzije

13

Sinhroni Permanentni Indukcijski

Pod (Company)

Mermaid(RR) Azipod(ABB)

Compact (ABB) SSP (SS)

Converteam SEP(Siemens)

Prednosti Viskoka iskoristivost za velike snage

Nema gubitaka rotoraJednostavna konstrukcijaKompaktan dizajn

Jednostavna i robusna konstrukcija

Nedostaci Komplicirana izvedba

Nije moguć za velike snage

Loša iskoristivost za velike snage

Tablica 4.2. Usporedba elektromotora korišteni kod POD propulzije

5.1. Uvod – Razine upravljanja

Korisničko sučelje: - Operatorske stanice

- smještene na komandnom mostu ili kontrolnoj sobi strojarnice

Kontrola razine sustava: - Kontroleri / PLC

- integrirani u PLC-u, centralizirani ili distribuirane periferije, ovisno o konstrukciji broda

Niska razina kontrole: - Governors, AVR, Zaštita

- odvojene distribuirane periferije na različitim razinama broda

5. Upravljanje snagom i propulzijom

14

Slika 5.1. Razine upravljanja

5. Upravljanje snagom i propulzijom

15

Slika 5.2. Integrirani sustav upravljanja plovilom

Fieldbus Network – real time komunikacijska mreža na niskoj razini kontrole između uređaja i kontroleraControl Network – real time mreža za izmjenu podataka između operatorskih stanica i kontroleraOffice Plant Network – mreža koja povezuje sustave unutar ureda i informacijske sustave

5.2. Korisničko sučelje

• Kontakt posade za nadzor i upravljanje brodom• Smješteno na komandnom mostu ili kontrolnoj sobi strojarnice• Operatorske stanice – grafički prikaz:

• sučelja upravljanja brodom• statusa i mjerenja• inputa i komandi operatera• alarma

• Fleksibilnija i jeftinija rješenja od “žaruljica i gumba”• Izazov u osmišljavanju grafičkog sučelja – kombinacija sigurnosti i “user-friendly” sučelja za jednostavniju primjenu i pronalaženje potrebne informacije

5. Upravljanje snagom i propulzijom

16

Slika 5.3. Tipično korisničko sučelje

5.3. Visoka razina kontrole

• Svrha PMS-a:• osiguravanje dovoljne snage za normalno upravljanje sustavom• praćenje opterećenja i statusa generatora i električne mreže• nadzor i kontrola toka energije uz optimiziranje potrošnje goriva

• U slučaju pada snage ispod granične vrijednosti, PMS automatski starta slijedeći generator postavljen u sekvenci• Glavne funkcije se mogu grupirati:

• Upravljanje snagom – nadzor sustava preko nadzora frekvencije i napona, te aktivnog i pasivnog opterećenja - uvjetuje start/stop seta generatora• Upravljanje opterećenjem – nadzor opterećenja i koordinacija startanja velikih potrošača na temelju raspoložive snage• Upravljanje distribucijom – nadzor distributivne mreže i redistribucija potrošača na mreži zbog rasterećenja sustava

• Najteži kvar je tzv. “blackout” sustava• Mehanizmi za izbjegavanje “blackouta” su povezani sa PMS-om, kao što su start/stop funkcije, redukcije pogona i ostalih opterećenja• Ako “blackout” potraje ili se ponovi s vremena na vrijeme, potrebno je rekonfigurirati sustav i sekvence startanja te sinhronizirati opterećenja generatora

5. Upravljanje snagom i propulzijom

5.3.1. Upravljanje snagom – upravljanje energijom (PMS – EMS)

17

5.3. Visoka razina kontrole

• Uključuje ručnu, automatsku i polu-automatsku kontrolu pomoćnih sustava (ventili, HVAC sustavi, kontrole balasta i tereta...)• Mogu uključivati i alarmne sustave, te sigurnosne sustave

5. Upravljanje snagom i propulzijom

5.3.2. Upravljanje plovilom

5.3.3. Upravljanje pogonom i dinamičkim pozicioniranjem• Sastoje se od:

• MTC sustava – omogućuje kontrolu nad pojedinim potiskivačima i vijcima• “auto pilot” sustava – automatsko održavanje i korekcija kursa tjekom plovidbe

• Ako se plovilo koristi za pozicioniranje ili manevriranje:• DPS sustava – ručno ili automatsko pozicioniranje u skladu sa potrebnim manevrom• Posmoor ATA – pozicioniranje usidrenih plovila pomoću potisnika – ručno (Posmoor TA) ili automatsko (Posmoor ATA)

• Kontrola upravljanja pogonom i dinamičkim pozicioniranjem je vrlo važno za sigurno upravljanje brodom• Potrebno je pažljivo razmatranje njihovog sučelja i uzajamno testiranje sa upravljanjem sustava snage/energije i upravljanja plovilom

18

5.4. Niska razina kontrole

• Uređaji za zaštitu motora služe za prevenciju i iskapčanje motora pri over-speed, velikim temperaturama, gubitka sredstva za podmazivanje...• Governor kontrolira frekvenciju reguliranjem dotoka goriva glavnom pogonu• Može biti tzv. “speed-drop” tip – frekvencija pada proporcionalno s povećanjem opterećenja• Jednostavna i robusna metoda održavanja ravnomjernog opterećenja između dva paralelno spojena generatora

5. Upravljanje snagom i propulzijom

5.4.1. Zaštita motora i governor

5.4.2. Automatic voltage regulator (AVR)• Kontrolira napon pomoću struje magnetiziranja u namotu generatora• U tzv. “droop-mode” granice osjetljivosti su mu ± 2.5%• Ako aplikacija nema “droop-mode”, postoje alternativne metode:

• Kompenzacija pada napona – namještanjem setpointa na kojem će se djelomično ili potpuno kompenzirati pad napona• Integrirani kontroler – namještanje setpointa napona u zavisnosti od opterećenja i izbegavanje devijacija statičkog napona

19

5.4. Niska razina kontrole

• Zaštitni uređaji i releji služe za zaštitu ljudskog života ili ozljeda od kvarova u električnim sustavima i za izbjegavanje ili reduciranje oštećenja opreme• Najčešće su smješteni u razvodnim ormarima ili u specijalnim kontrolnim i zaštitnim panelima• Danas se najčešće koriste digitalni releji na bazi mjerenja struja, napona, frekvencija koji su programirani da odspoje djelove opreme unutar zadanog vremena i definirani su ANSI/IEEE i IEC normama

5. Upravljanje snagom i propulzijom

5.4.3. Zaštitni releji

20

Motor: - Prekostrujna- Kratkospojna- Termička- Zemljospojna- Podnaponska- Redosljed faza- Motor start: broj startanja

Generator: -Prekostrujna i kratkospojna- Zemljospojna- Reverse power- Redosljed faza- Pod- i prenaponska- Prefrekventna- Pod- i premagnetizirajuća- Diferencijalna

Razvodni ormar: - Pod- i prenaponska (alarm)- Pod- i prefrekventna (alarm)- Zemljospoj, trip ili alarm- Diferencijalna

Sabirnice: -Kratkospojna-Zemljospojna-Diferencijalna

Transformator: -Prekostrujna- Kratkospojna- Termička- Zemljospojna- Podnaponska- Redosljed faza- Motor start: broj startanja

Tablica 5.1. Standardne zaštite za pojedine djelove pogona

5.3. Visoka razina kontrole

• Održava zadanu brzinu unutar granica brzina, momenata i dinamičkih mogućnosti• Povezan je sa sustavom upravljanja, sustavom snage i distribucije i sustavom upravljanja na komandnom mostu (joystick, autopilot, dinamičko pozicioniranje...)• U slučaju “blackouta” postoje tri grupe redukcije opterećenja:

• PMS na temelju prioriteta raspodjeljuje maksimum opterećenja dostupne snage pogonima• Tzv. “event-trigged” smanjenje opterećenja – digitalni signal koji prisiljava redukciju snage koje se predaje motoru na razinu dostupne snage• Tzv. “frequency trigged” smanjenje opterećenja – mjerenjem frekvencije na strani napajanja, reagira posljednji uslijed pada frekvencije ili preopterećenja generatora

• Usporedba kako se stabilizira snaga koja sepovlači iz mreže pomoću kontrole brzine ikontrole opterećenja• Kod ledolomaca ili plovila koja plove kroz ledopterećenje brže i više varira kada vijakudari u led, pa se sa kontrolom snage uspješnoreduciraju smetnje u mreži

5. Upravljanje snagom i propulzijom

5.3.4. Kontrola propulzije

21Slika 5.4. Usporedba kontrole brzine i kontrole opterećenja

5. Upravljanje snagom i propulzijom

22

Slika 5.5. Prikaz upravljačkog sustava

5. Upravljanje snagom i propulzijom

23

Slika 5.6. Prikaz komunikacijskih krugova

5. Upravljanje snagom i propulzijom

24

Slika 5.7. Topologija mreže upravljanja plovilom

Slika 5.8. Prikaz električnog sustava

5. Upravljanje snagom i propulzijom

25

Slika 5.9. MV ormar, 3300V IGCT VSI drive (ABB ACS600)

1. Diodni ispravljači2. Ormar sa rednim stezaljkama i upravljačkim modulima3. IGCT inverter modul4. Kapacitivne baterije5. Jedinica za hlađenje vodom, sa izmjenjivačem topline i cirkulacijske pumpe

5. Upravljanje snagom i propulzijom

26Slika 5.10. Funkcionalna integracija i distribucija informacija u PMS-u

5. Upravljanje snagom i propulzijom

27Slika 5.11. Prikaz upravljačkog pulta

5. Upravljanje snagom i propulzijom

28

Slika 5.12. Prikaz djelovanja prilikom “blackouta”

6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti• Popis putničkih plovila sa električnom propulzijom u današnje vrijeme je dugačak i povećava se • Glavni zahtjevi snage naprema propulziji su:

• Sigurnost i udobnost putnika i posade• Ekonomičnost potrošnje goriva• Iskoristivost

• Zahtjevi za zaštitom okoliša pokreću zahtjeve za redukcijom emisija, ispusta i šteta na koraljnim grebenima prilikom sidrenja• Stoga se plovila moraju pozicionirati isključivo s potisnicima, što povećava potrebu za električnom propulzijom• Zbog čestih ulazaka/izlazaka iz luke i pristajanja, POD propulzija uvelike reducira potrošnju goriva•Instalirana snaga za manje trajekte je 30-40 MW, dok je za kruzere oko 10-15 MW

6. Primjeri konfiguracija

29

Slika 6.1. Manevar kruzera opremljenog POD propulzorom

6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti

6. Primjeri konfiguracija

30

Slika 6.2. Primjer propulzije i sustava upravljanja na putničkom brodu

6.1. Putnička plovila – Kruzeri i trajekti

6. Primjeri konfiguracija

31

Slika 6.3. Primjer jednopolne sheme upravljanja na putničkom brodu

6.2. Tankeri, LNG brodovi

6. Primjeri konfiguracija

32

Slika 6.4. Primjer propulzije i sustava upravljanja na tankeru

6. Primjeri konfiguracija

33

6.2. Tankeri, LNG brodovi

Slika 6.5. Primjer konfiguracije za LNG brodove

6.2. Tankeri, LNG brodovi

6. Primjeri konfiguracija

34

Slika 6.6. Primjer jednopolne sheme upravljanja na tankeru

6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme• Platforme većinu vremena provode u poziciji mirovanja, a potisnike i propulzore koriste za održavanje pozicije i premještanje na drugu lokaciju• Donedavno su naftne i plinske bušotine bile u plitkim vodama i moguće ih je bilo crpiti sa fiksnom pozicijom• Eksplotacija i bušenje u dubokim vodama je moguće sa dinamičkim pozicioniranjem ili nadzorom pozicije s potisnicima• Tipična konfiguracija se sastoji od dva, tri ili četiri odvojena sustava napajanja• Tipično za ova plovila je velika instalirana snaga potisnika 20-50 MW, a zajedno sa bušilicama i ostalim potrošačima je 25-55 MW

6. Primjeri konfiguracija

35

Slika 6.7. Eksplotacijski brod i naftna platforma

6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme

6. Primjeri konfiguracija

36

Slika 6.8. Primjer propulzije isustava upravljanjana platformama

6.3. Eksplotacija nafte i plina – Platforme

6. Primjeri konfiguracija

37Slika 6.9. Primjer jednopolne sheme upravljanja na platformama

6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove• S rastućom potrebom za brzom širokopojasnom mrežom i globalnom mrežom optičkih kabela, osnovala se velika flota plovila za podmorsko polaganje kabela sa električnom propulzijom i dinamičkim pozicioniranjem• Kod ovih plovila, električna propulzija je među prvima ugrađivana, najprije s propelerima s konstantnom brzinom, a kasnije s potisnicima s promjenjivom brzinom• Instalirana snaga je od 8-30 MW

6. Primjeri konfiguracija

38Slika 6.10. Plovila za opskrbu prilagođena su za plovidbu u različitim vremenskim uvjetima

6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove

6. Primjeri konfiguracija

39

Slika 6.11. Primjer propulzije i sustava upravljanja na plovilimaza opskrbu i offshore radove

6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove

6. Primjeri konfiguracija

40

Slika 6.12. Plovila za opskrbu i offshore radove

6.4. Plovila za opskrbu i offshore radove

6. Primjeri konfiguracija

41Slika 6.13. Primjer jednopolne sheme upravljanja na plovilima za opskrbu

6.5. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima

6. Primjeri konfiguracija

42

Slika 6.14. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima

6.5. Ledolomci i plovila po zaleđenim morima

6. Primjeri konfiguracija

43Slika 6.15. Primjer jednopolne sheme

upravljanja na ledolomcima

6.6. CRP – Contra rotating propulsion• Dva suprotnovrteća vijka• Kombinacija vijka na osovini sa “aktivnim kormilom” – Azipod-om• Okrenuti su “licem u lice” i rotiraju se suprotnim smjerom vrtnje• Prednosti:

• smanjenje gubitaka nastalih zbog rotacije mlaza• poništavanje reaktivnog momenta vrtnje koji se prenosi na brod

• Nedostatak:• složenost konstrukcije – zbog toga se ugrađivao samo na torpeda

• CRP koncept se razvio za različite tiplove plovila, uključujući putnička plovila, kontejnerska plovila, tankere, LNG plovila, a od 2003 i za brza RoPax plovila

6. Primjeri konfiguracija

44Slika 6.16. CRP konfiguracija za RoPax plovila

6.6. CRP – Contra rotating propulsion

6. Primjeri konfiguracija

45

Slika 6.17. Primjer CRP Azipod

6.6. CRP – Contra rotating propulsion

6. Primjeri konfiguracija

46

Slika 6.18. Primjer jednopolne sheme upravljanja sa CRP

47

Hvala na pažnji!