1

POMORSKI FAKULTET U RIJECI SMJER NAUTIKE I TEHNOLOGIJE POMORSKOG PROMETA

BRODSKI ELEKTRIČNI SUSTAVI

(NOVI PROGRAM)

Dr. sc. Dubravko Vučetić

ver. 6.00 (2014) DOPUNSKA LITERATURA:

1. B. Skalicki, J. Grilec, Brodski električni uređaji, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb, 2000. 2. V. Pinter, Osnove elektrotehnike, 1. knjiga, Tehnička knjiga , Zagreb, 1978. 3. V. Pinter, Osnove elektrotehnike, 2. knjiga, Tehnička knjiga , Zagreb, 1978.

1. KOLOKVIJ

ELEKTROSTATIKA 1. Elektricitet na atomskoj razini Znanost još uvijek nije proniknula u stvarnu građu, materije, energije, gravitacijskog, magnetskog i električnog polja, elektromagnetskih valova i svjetlosti. Svoje znanje i praktičnu primjenu, temeljimo na teorijama koje se neprestano provjeravaju i po potrebi nadograđuju ili odbacuju ako se nekim eksperimentom pokažu pogrešnima ili nepotpunima. Elektricitet se za sada na nivou atoma još uvijek objašnjava uz pomoć relativno jednostavnog Bohrovog modela atoma po kojem su atomi, kao najmanje čestice prirodnih elemenata, sastavljeni od tri vrste manjih čestica: protona koji su nositelji pozitivnog naboja, elektrona koji su nositelji suprotnog, dakle negativnog, naboja i neutrona koji nemaju električnih svojstava, odnosno električki su neutralni. Kao jedinični naboj (nedjeljivi najmanji mogući naboj) uzima se naravno naboj elektrona e=1,6 10-19 As. Isti naboj samo pozitivan imaju i protoni. S druge strane interesantno je da približno istu masu imaju protoni mp= 1,66 10-27 kg i neutroni, dok je masa elektrona 1833 puta manja i iznosi svega me= 9,1 10-31 kg. U središtu atoma nalazi se jezgra sačinjena od protona i neutrona povezanih nevjerojatno jakom nuklearnom silom. Oko jezgre poput planeta oko sunca kruže na nekoliko točno određenih udaljenosti (ljuski) negativno nabijeni elektroni koje u orbiti drži električna tzv. Coulombova sila. 2.Električki naboji i Coulombova sila U normalnom stanju broj protona u atomu odgovara broju elektrona u njegovoj jezgri pa je takav atom električki neutralan. Kako električna sila nije niti izdaleka tako snažna kao nuklearna sila koja drži na okupu jezgru, atom može lako izgubiti elektron i na taj način postati električki pozitivno nabijeni ion ili prihvatiti elektron viška te postati negativno nabijeni ion. Za elektrostatiku je bitno da trljanjem tijela napravljenim od dva različita materijala jedno može uzeti elektrone drugome i postati električki negativno nabijeno ili izgubiti elektrone i postati električki pozitivno nabijeno. Tako npr. jantar (po kojem je elektron i dobio ime) postaje negativno nabijen kada ga se protrlja vunenom tkaninom (koja se pri tome nabije pozitivno. Obrnuti je slučaj kada se stakleni štap protrlja kožom i nabije pozitivno dok koža dobije višak elektrona i postane negativna. Između takvih električki nabijenih tijela javlja se već spomenuta Coulombova sila koja je proporcionalna količinama naboja, a obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti među nabojima što je čini nevjerojatno sličnom gravitacijskoj sili za koju vrijedi isto samo je umjesto naboja riječ o masama. Istoimeni naboji (dva pozitivna ili dva negativna) se odbijaju a raznoimeni (pozitivni i negativni) privlače. Pozitivno i negativno nabijena tijela stvaraju u prostoru električno polje E koje prikazujemo silnicama. Jakost električnog polja E je definirana kao sila na jedinični pozitivni naboj pa se iz izraza za Coulombovu silu lako dobije: izraz za jakost polja E. Silnice polja omogućuju nam određivanje smjera sile na jedinični pozitivni naboj kao tangente na silnicu, dok njihova gustoća pokazuje jakost električnog polja (gušće silnice - jače polje). I ovdje se može napraviti usporedba s gravitacijskim poljem. Zemlja ima veliku masu i stvara oko sebe gravitacijsko polje koje djeluje privlačno na sve mase u prostoru. Kao što olovka pada na pod djelovanjem gravitacijskog polja, tako i električni naboj biva privučen ili odbijen od naboja koji je stvorio električno polje. 3. Električni potencijal i napon Kako se dva istoimena (npr. pozitivna) naboja privlače, poželimo li ih približiti oni će se tomu opirati odgovarajućom silom baš kao i opruga koju želimo sabiti. Ako jedan od njih u jednom trenutku ispustimo bit će lansiran na beskonačnu udaljenost. Slično je i s razdvajanjem dva raznoimena naboja (oni će se međutim ispuštanjem spojiti i izbiti). U svakom slučaju dva naboja razmaknuta na određenoj udaljenost predstavljaju sustav koji čuva izvjesnu potencijalnu energiju baš kao i uteg na određenoj visini od zemlje. Rad potreban da se jedinični pozitivni naboj dovede iz beskonačnosti u određenu točku unutar djelovanja nekog električnog polja naziva se električni potencijal φ.

2rQkE

221

rQQkF

2

Razlika potencijala između dvije točke u nekom električnom polju naziva se napon: U12= φ1- φ2 Električni napon možemo također poistovjetiti s razlikom potencijala dvije platforme u gravitacijskom polju. Razlika potencijala u tom slučaju odgovara energiji koju će uteg od jednog kilograma izgubiti (predati) kada padne s više platforme na nižu. Električni napon je izuzetno važan jer ako se te dvije točke vodičima spoje na neko trošilo (npr. žarulju) može potjerati električnu struju i izvršiti pri tome neki rad (zagrijati žarnu nit i proizvesti svjetlost). Električni napon i električni potencijal mjere se u voltima [V]. 5. Električna struja, električni otpor, vodiči, izolatori Električna struja je protok električnih naboja u jedinici vremena. Dakle, ako kroz neki vodič u t sekundi prođe Q naboja, riječ je o jakosti struje od I=Q/t. Jakost električne struje mjeri se u amperima [A]. Električni otpor je svojstvo materijala da se opire protoku električne struje. Recipročna vrijednost električnog otpora je električna vodljivost. Rezultat djelovanja električnog otpora su gubici energije prilikom prolaska struje zbog zagrijavanja i pad napona (na svakom otporu izgubi se dio napona) Prema sposobnosti vođenja ili sprječavanja vođenja električne struje materijali se dijele na vodiče i izolatore. Izolatorima sprječavamo da struja poteče neželjenim putem (kroz čovjeka, na trup broda, na kućište motora...). Pri tome treba napomenuti da i većina izolatora ima sposobnost, odnosno bolje reći nedostatak, da uz dovoljno visoki napon bez proboja (uništenja) provode istina vrlo male struje. Tako se na brodu neprestano mjeri otpor izolacije cjelokupne električne mreže ss svim priključenim trošilima. Otpor izolacije normalno je jako velik i mjeri se u stotinama MΩ (megaoma), ali pod utjecajem starosti izolacije i vlage ili jednostavno oštećenja i proboja, može pasti na nedozvoljeno male vrijednosti kada se javlja alarm. S druge strane vodiči (uglavnom metali) pružaju vrlo nizak otpor prolasku električne struje. Razlog tome leži u atomskoj građi metala. Prema teoriji, atomi metala grade rešetke s mnogo slabo vezanih, tzv. slobodnih, elektrona koji mijenjaju putanje prelazeći kroz zadnje ljuske svih atoma u rešetki. Kako elektroni nisu čvrsto vezani uz jezgre atoma otpor njihovom kretanju kroz vodič je mali. Zavisno od broja slobodnih elektrona i građe metala neki metali imaju veći a neki manji otpor prolasku struje, što se objašnjava i češćim ili rjeđim sudarima elektrona prilikom prolaska struje. Što je temperatura vodiča veća to su elektroni uzbuđeniji, pa dolazi do više sudara te je otpor prolasku struje veći. Promjena otpora s temperaturom koristi se za precizno određivanje zagrijanosti namota električnih strojeva. Temperaturni senzori za daljinsko mjerenje temperature ili zaštitu skupljih električnih uređaja (elekromotori palubnih strojeva, električni generatori...) od pregrijavanja rade na sličnom principu. Ova formula je samo približna i ne vrijedi za sve materijale ni temperature a posebice ne vrijedi za izuzetno niske temperature. Na apsolutoj nuli (0K=-273°C) svi metali ali i nemetali prelaze u supravodljivo stanje što znači da im je otpor doslovce 0Ω. Neki materijali to postižu već i na značajno višim temperaturama pa se nazivaju supravodičima i koriste za specijalne svrhe. Struja se bez obzira na otpor kroz vodič kreće brzinom svjetlosti. Električni otpor vodiča duljine l i presjeka žice S napravljenog od materijala specifičnog otpora ρ (svojstvo vodiča) na sobnoj temperaturi računa se kao: Otpor se mjeri u omima [Ω]. Ako se otpori spajaju serijski to je slično kao da se produljuje duljina vodiča pa se ukupni otpor povećava. Ako se otpori priključuju paralelno to je slično kao da se presjek povećava jer se struja grana kroz više otpora, te je ukupni otpor manji. 4. Eektrični kapacitet Električni kapacitet je svojstvo električnog sustava da pod određenim naponom primi određenu količinu naboja. Jedinica za kapacitet je farad [F]. Namjenski proizveden električni uređaj za pohranu naboja pomoću kapaciteta naziva se kondenzator. Kondenzator se sastoji od dvije metalne površine razmaknute slojem izolacije (dielektrik). Kapacitet takvog pločastog kondenzatora C proporcionalan je površini ploča S, a obrnuto proporcionalan debljini izolacije odnosno razmaku među pločama d: Metalne površine se nabiju suprotnim nabojima te tako predstavljaju potencijalni izvor električne energije ograničenog kapaciteta (dok se ne izbiju svi naboji i napon ne padne na nulu). Naboj koji može prihvatiti kondenzator proporcionalan je naponu i njegovom kapacitetu: Q=UC. Spajanjem kondenzatora u seriju povećava se razmak među pločama i tako smanjuje kapacitet, dok se spajanjem u paralelu povećava površina a time i kapacitet. U praksi međutim postoje i nenamjenski kapaciteti. Svaki vodič, bez obzira na njegov oblik, koji je od drugog vodiča izoliran razmakom ili izolacijom, predstavlja "kondenzator" odnosno ima kapacitet. Tako i brodska električna mreža u kombinaciji s izolacijom i brodskim čeličnim trupom predstavlja jedan veliki kondenzator relativno malog kapaciteta. Takve neželjene kapacitete obično nazivamo parazitskim kapacitetima i oni nam često rade probleme (prenaponi, struja zemnog spoja kod neuzemljenih sustava...). 5. Električna influencija Vodiči su tvari koje dobro provode električnu struju, odnosno omogućuju slobodno kretanje elektrona.Zbog toga kad se vodič nađe u električnom polju dolazi do pojave razdvajanja naboja odnosno električne influencije. Elektroni u vodiču ponašaju se kao slobodni negativni naboji i žele se što više približiti izvoru električnog polja (npr. pozitivnom naboju), pa se grupiraju na jednoj strani. Na taj način suprotna strana vodiča ostaje bez elektrona i djeluje kao da je pozitivno nabijena. Električna influencija važna je za prolazak izmjenične struje kroz kondenzatore, ali i za npr. nakupljanje suprotnih naboja na hvataljci (šiljku) gromobrana kada se nabijeni oblak približi brodu.

dSC

SlR 20

))20(1( 2020 RR

3

6. Kemijski zvori električne energije Ukoliko ne postoji stalni izvor električne energije koji održava razliku potencijala (napon), energija sadržana u kapacitetu i razlici potencijala vrlo brzo će se potrošiti na priključenom trošilu. Pored prirodnih izvora elektrostatskog naboja (nabijanje oblaka ili drugih tijela trenjem) električna energija može nastati i na druge, mnogo praktičnije načine. Prvi upotrebljivi izvori električne energije bili su kemijski izvori. Kemijski izvori dijele se na primarne, sekundarne i, u novije doba, gorive ćelije. Primarni kemijski izvori su galvanski članci (prvi je napravljen Voltin članak). Sastoje se od dvije elektrode načinjene od različitih metala koje su uronjene u elektrolit. Bakar i cink uronjeni u otopinu sumporne kiseline stvaraju napon od 0,76V. Pojava se naziva elektrokemijska ili galvanska korozija jer dolazi do rastvaranja (korozije) metala koji u tablici galvanskog niza ima manji broj. U ovom slučaju to je cink. Kada se baterija istroši cink je nestao, a bakar je kao nov. Po istom principu cink protektor štiti čelik osovinskog voda brodice dok sasvim ne nestane. Pocinčani lim u vodi ne hrđa dok ima na sebi imalo cinka. Danas se najviše koristi mnogo jeftinija kombinacija metala u suhom članku s grafitnim štapićem u cinkovom cilindru. Primarni kemijski izvori ne mogu se puniti već samo reciklirati. Kako su napravljeni od štetnih materija ne smiju se bacati u more niti odlagati s komunalnim otpadom ili spaljivati. Danas se sve više koriste tzv. alkalne baterije kojima je elektrolit kalijeva lužina a napon im je također 1,5V po članku. Sekundarni kemijski izvori mogu pomoću kemijske reakcije na pločama i u elektrolitu akumulirati energiju dobivenu iz drugih izvora i poslije je predati trošilu, odnosno mogu se puniti i prazniti. Najznačajniji sekundarni izvori su olovne i čelične baterije. Olovne baterije su punjene otopinom sumporne kiseline, a elektrode su napravljene od olova odnosno olovnog oksida. Napon ćelije je 2V, a napon potreban za punjenje 2,4V. Čelične baterije imaju čelično samo kućište, a zapravo je riječ o nikal-kadmij baterijama punjenim kalijevom lužinom. Mogu biti mokre (punjene tekućim elektrolitom) i suhe. Gorive ćelije su kemijski izvori koji izravno kemijskim reakcijama pretvaraju gorivo (vodik i kisik) u električnu energiju. Smatraju se čistim izvorima jer je produkt sagorijevanja čista voda. Proces zahvaljujući jednostavnoj elektrolizi može biti i reverzibilan, pa se gorive ćelije mogu koristiti i za pohranu električne energije. Danas postoje i gorive ćelije koje kao gorivo koriste propan i kisik. ISTOSMJERNA STRUJA 1. Izvori struje, strujni krug Istosmjerna struja teče u istosmjernom strujnom krugu pod djelovanjem istosmjernog napona. Istosmjerno znači da ne dolazi do promjene polariteta napona niti smjera struje. Kemijski izvori električne energije su istosmjerni izvori koji dakle daju istosmjerni napon i tjeraju istosmjernu struju. Izmjenični izvori električne energije su izmjenični električni strojevi - generatori (alternatori) - koji generiraju izmjenični napon koji, logično, potjera izmjeničnu struju. Strujni krug počinje na pozitivnoj elektrodi izvora i zatvara se kroz spojne vodiče (žice), trošilo (žarulja, grijač, elektromotor...), vodiče u povratnom vodu i vraća na negativnu elektrodu izvora. 2. Smjer struje Prije otkrića elektrona dogovoreno je da struja teče od mjesta višeg potencijala prema mjestu nižeg potencijala, dakle od + prema - elektrodi izvora, što je suprotno od smjera kretanja elektrona. Unutar izvora koji stvara napon, odnosno razliku potencijala, struja naravno zadržava isti smjer kruženja pa teče od - prema +. Zamislimo pumpu koja podiže vodu na vrh tobogana u akvaparku, dakle od niže potencijalne energije na višu. Voda se zatim spušta toboganom na početnu visinu odnosno najnižu točku kruga cirkulacije gdje je opet pumpa usisava i podiže na vrh. Pumpa dakle poput izvora istosmjernog napona omogućuje tok struje (vode) od mjesta nižeg potencijala na mjesto višeg potencijala. Za to joj je naravno potrebno dovesti energiju jednaku najmanje energiji koja odgovara promjeni potencijalne energije. Tako i istosmjerni izvor troši energiju pohranjenu u primarnim ili sekundarnim člancima, gorivo za gorive ćelije ili pogonske strojeve generatora. 3. Ohmov zakon Ohmov zakon kaže da je pad napona na otporu R uzrokovan prolaskom struje I jednak njihovom umnošku: U=RI. Pomoću Ohmovog zakona može se izračunati i struja u jednostavnom strujnom krugu, tako da se napon podijeli s ukupnim otporom odnosno zbrojem svih otpora u krugu, uključujući otpor trošila R i otpor dva spojna vodiča Rv: 4. Prvi Kirchhoffov zakon Ako se električna struja shvati kao protok elektrona kroz vodiče, jasno je da ti elektroni ne mogu nestati već će kod grananja strujnog kruga u nekom čvorištu, svi koji uđu u čvor iz njega i izaći. Prvi Kirchhoffov zakon upravo to i kaže: Suma struja koje u čvor uđu jednaka je sumi struja koje iz njega izađu. Isto vrijedi i za grananje vode u nekom cjevovodu. 5. Drugi Kirchhoffov zakon Drugi Kirchhoffov zakon se bavi naponima i obuhvaća napone izvora i padove napona na otporima u strujnom krugu. U osnovi drugi Kirchhoffov zakon kaže da će ukoliko napravimo šetnju po zatvorenoj petlji jednostavnog ili složenog (s grananjima) strujnog kruga i zbrojimo sve razlike potencijala (izvore i padove napona) na koje smo naišli, završivši opet na početnoj točki od koje smo krenuli ukupni zbroj razlika potencijala biti nula, što je u biti banalno jer smo se našli ponovo u istoj točki. Zamislimo šetnju planinarskim stazama koje nas vode gore dolje po planinama, granaju se i nude nam alternativne pravce. Kada se jednom vratimo na isto mjesto suma svih uspona i padova, bez obzira na odabrani

vRRUI2

4

put biti će nula jer smo se vratili na isto mjesto kojem se nadmorska visina a time i potencijal nije promijenila.Drugi Kirchhoffov zakon dakle glasi: U zatvorenoj električnoj petlji (krugu) suma svih elektromotornih sila (to su u stvari naponi izvora) i padova napona jednaka je nuli. 6. Snaga i rad električne energije Već je prije rečeno da struja prolaskom kroz vodiče stvara gubitke u vidu zagrijavanja. Ovi se gubici mogu izračunati kao P=UI, gdje je U pad napona na otporu na kojem nastaju gubici, a I struja koja kroz njega teče. Ako se na ovu formulu primijeni Ohmov zakon dobije se P=I2R. Snaga se naravno izražava u watima [W]. Ako struja teče kroz otpor određeno vrijeme t može se izračunati i utrošena energija W=Pt= I2Rt. Jedinica za energiju su Ws ili veća jedinica koja se obično koristi za obračun kWh. 6. Mjerenja u elektrotehnici Osnovna mjerenja u elektrotehnici obuhvaćaju mjerenje struje, napona i otpora. Za ovo se koriste specijalizirani instrumenti ugrađeni u električne ploče i pultove: Ampermetar za struju i voltmetar za napon. Kako ampermetar mjeri struju mora se ista u cijelosti propustiti kroz njega. Stoga je potrebno prekinuti strujni krug i u njega (serijski) ugraditi ampermetar. Voltmetar mjeri napon odnosno razliku potencijala. Stoga se voltmetar spaja na točke između kojih treba izmjeriti napon. Kada je riječ o naponu mreže ili nekog uređaja to znači da se voltmetar spaja paralelno mreži, odnosno trošilu na kojem se mjeri napon. Univerzalni prijenosni instrument može, ako se spoji serijski mjeriti struju, a ako se spoji paralelno napon. Također, univerzalni instrument može mjeriti otpor nekog uređaja ili kabela, tako da ga se odspoji s mreže i bez prisustva napona spoji paralelno na mjereni uređaj. Za mjerenje mu je potrebna unutarnja baterija kao izvor napona. Električna snaga mjeri se vatmetrom koji ima 4 priključka: 2 za struju i 2 za napon, jer je snaga umnožak struje i napona. IZMJENIČNA STRUJA 1. Definicije, karakteristične vrijednosti, frekvencija, fazni pomak Izmjenična struja neprestano mijenja smjer, pa teče malo u jednom - malo u drugom smjeru. Pod pojmom izmjenične struje najčešće se podrazumijeva sinusoidalna izmjenična struja koja nastaje kao posljedica izmjeničnog izvora napona - najčešće sinkronog generatora. Izmjenični napon i struja mogu se matematički prikazati izrazima: u(t)=Umsin (2πft) , i(t)=Imsin (2πf t+φ), gdje su Um i Im maksimalne (vršne) vrijednosti napona i struje, f frekvencija , t vrijeme a φ fazni pomak između sinusoida struje i napona. Frekvencija je broj titraja (sinusoida) u sekundi. Srednja vrijednost izmjenične sinusoidalne struje je 0, pa se taj pojam uglavnom koristi za ispravljene izmjenične struje (izmjenične struje koje su na ispravljaču (npr. punjač akumulatora) pretvorene u istosmjerne. Kod računanja s izmjeničnim strujama gotovo isključivo koristimo efektivne vrijednosti, koje po učinku odgovaraju istosmjernoj struji iste jakosti. Kod čisto sinusnog oblika struje je njena efektivna vrijednost točno √2 puta manja od maksimalne vrijednosti. 2. Trokut snage Kod izmjenične struje se pored prave - djelatne snage - javlja i jalova snaga kao posljedica faznog pomaka između struje i napona. Djelatna snaga P [kW], jalova snaga Q[kVAr] i prividna snaga S[kVA] mogu se složiti u pravokutni trokut (tzv. trokut snage) kojem su P i Q katete a S hipotenuza nasuprot koje je kut faznog pomaka φ. Za takav trokut očigledno vrijedi S2=P2+Q2 i P= S cos φ. Trokut snage je izuzetno važan za razumijevanje rada brodskih generatora posebice u paralelnom radu (kada više generatora napaja brodsku mrežu) 3. Otpori izmjeničnoj struji: reaktancije i impedancija, Ohmov zakon Pored djelatnog (omskog) otpora R izmjeničnoj struji dodatni otpor predstavlja induktivitet L odnosno preciznije induktivna reaktancija XL=2πf L. I dok induktivitet otežava protok izmjenične struje, kapacitet C, odnosno kapacitivna reaktancija XC=1/2πf C ga olakšavaju. Reaktancije izazivaju fazni pomak (kašnjenje) φ između sinusoida napona i struje i direktno stvaraju jalovu snagu. Ukupni otpor u izmjeničnom krugu naziva se impedancija Z. Impedancija i obje reaktancije izražavaju se u omima [Ω]. Ohmov zakon primjenjen na izmjeničnu struju glasi U=ZI. 4. Rezonancija Ako se u strujnom krugu upravo ponište vrijednosti XL i XC dolazi do pojave koja se naziva rezonancija. U rezonanciji je očigledno Z=R što znači da je ukupna impedancija najmanja moguća, pa se mogu očekivati vrlo velike struje i naponi što može biti pogubno za sistem. Zamislimo ljuljačku kojoj svaki puta kada nam se približi guranjem dodajemo energiju. Ako je dodana energija veća od energije potrošene na svladavanje otpora zraka ljuljačka se penje sve više (povećava joj se amplituda) dok se ne preokrene. Cijevi u brodskim kotlovima su pucale kada bi ušle u rezonanciju s vibracijama glavnog porivnog stroja. Kritični okretaji označeni na brojaču okretaja na mostu odgovaraju frekvenciji kod koje dolazi do jakih vibracija upravo zbog rezonancije. Četa vojnika srušila je most kojem je marširajući upravo pogodila rezonantnu frekvenciju (vlastitu frekvenciju). Rezonancija u elektrotehnici može biti i korisna kada se npr. želi slušati ili emitirati radio signal određene frekvencije (podešavanje stanice na starinskom radiju je u stvari podešavanje kondenzatora s promjenljivim kapacitetom ili induktiviteta s promjenljivim induktivitetom tako da se postigne rezonancija upravo na frekvenciji vala nositelja na kojoj emitira željena radio stanica).

22CL XXRZ

5

5. Trofazne struje Trofazni sustav napona nastaje induciranjem napona u trofaznom sinkronom generatoru (vidi kasnija predavanja). Riječ je o tri sinusoidalna napona koji su međusobno pomaknuti za 120° (3x120°=360°) i kada se na njih priključi simetrično trošilo (npr. trofazni elektromotor) potjeraju tri sinusoidalne struje koje su međusobno pomaknute na isti način.

Fazni namoti ili općenito impedancije trofaznih trošila (npr. grijači: tri grijača u jednom trofaznom trošilu) mogu se spajati u zvijezdu ili u trokut. Razlikujemo fazni i linijski napon (obje vrijednosti su efektivne). Linijski napon je napon između žila u trofaznom kabelu. Fazni napon je napon na pojedinom faznom namotu trošila ili generatora. Linijska struja je struja u žili kabela, a fazna ona koja teče kroz fazni namot generatora ili elektromotora, odnosno impedanciju faze trošila. Linijske i fazne vrijednosti su u simetričnom sustavu povezane množiteljem √3. Trofazna struja se jeftinije prenosi, transformira i jednostavnije i efikasnije pretvara u mehaničku energiju (trofazni elektromotori) pa je mnogo pogodnija kada su u pitanju imalo veće snage čak i u kućanstvu. Na brodu se uglavnom koristi trofazna struja 440V 60Hz, dok je jednofazna rezervirana samo za svjetiljke i tek rijetka jednofazna trošila male snage, a i tada se koristi posebna trofazna mreža, samo što se trošila (svjetiljke) spajaju između dvije faze kojima je linijski napon 220V ili rjeđe 110V. Na kopnenim sustavima 400V 50 ili 60Hz povlači se od izvora (generatora ili transformatora) i četvrti vodič tzv. nula koji povezuje zvjezdište njihovih namota s jednofaznim trošilima koja na taj način spajanjem između jedne faze i nule dobiju √3 puta manji fazni napon od 230V. Na brodu se nikada ne vuče nul-vodič iako nije zabranjen. Nulvodič ne treba pomiješati s zaštitnim vodičem (uzemljenje - žuto-zeleni) koji se spaja na uzemljenje objekta položeno u zemlju ili u temelje. Na brodu se zažtitni zemni vodič spaja na trup broda. Snaga trofaznog simetričnog trošila može se izračunati kao zbroj snaga po namotu (impedanciji) odnosno trostruka vrijednost umnoška faznih napona i struja S=3UfIf.To međutim može dovesti do zabune kod različitih spojeva (zvijezda i trokut). Najsigurnija i uobičajena metoda koja vrijedi za sve spojeve je po formuli: S=√3UI za prividnu snagu i P=√3UIcosφ za djelatnu snagu, gdje su U i I linijske vrijednosti struje i napona (u kabelu). MAGNETIZAM I ELEKTROMAGNETIZAM 1. Prirodni permanentni magnetizam Već je starogrčki filozof Tales iz Mileta na prijelazu iz 6. u 5. stoljeće prije Krista pisao o tome da ruda magnetit snažno privlači predmete od željeza. Mnogo kasnije se utvrdilo da magnetit posjeduje prirodni permanentni magnetizam i da svaki komad od njega izrađenog magneta ima dva pola koji su prema polovima Zemlje nazvani sjevernim i južnim. Kako se istoimeni polovi privlače a raznoimeni odbijaju, kinezi su već u ranom srednjem vijeku u navigaciji koristili magnetski kompas. Zemlja je naime golemi prirodni magnet. U blizini sjevernog pola zemlje nalazi se njen magnetski pol, a u blizini južnog južni magnetski pol. Magnetsko polje Zemlje prema prihvaćenoj ali ne i dokazanoj teoriji stvaraju električne struje koje teku u rastopljenoj Zemljinoj jezgri, koja se ne vrti sinkronizirano s Zemljinom korom. Iz tog razloga se magnetski polovi pomiču pa se i magnetska deklinacija i inklinacija (pojednostavljeno: odstupanje smjera koji pokazuje kompas i smjera prema stvarnom sjeveru - polu) mijenjaju. Neki znanstvenici tvrde da su magnetski polovi u povijesti Zemlje čak zamijenili mjesta – posljednji puta prije otprilike 780 000 godina. Treba naglasiti da je magnetsko polje Zemlje vrlo nestabilno i podložno dnevnim i godišnjim varijacijama, kao i utjecaju sunčanih pjega, te da se sjeverni i južni magnetski pol ne pomiču istom brzinom i nemaju jednako odstupanje od stvarnih stvarnih polova. 2. Magnetsko polje, silnice magnetskog polja, magnetska sila Magnetsko polje kao i električno također opisujemo silnicama. Sjeverni pol je nedjeljiv od južnog za razliku od električnih naboja. I najmanji komadić prirodnog magneta ima sjeverni i južni pol. Za razliku od silnica električnog polja koje izviru iz pozitivnog a poniru u negativni naboj, silnice magnetskog polja stoga nemaju ni izvora ni ponora već su u sebe zatvorene krivulje (bez kraja i početka)koje prolaze kroz magnet u smjeru jug-sjever, a izvan magneta (ono što zapažamo) u smjeru sjever jug. Magnetska igla (Kompas) uvijek se postavlja u smjeru silnica magnetskog polja tako da joj je sjeverni pol okrenut jugu, a južni pol sjeveru. Međutim kada je polje dovoljno jako tada će se i igla od npr mekog željeza koja nije namagnetizirana, također postaviti u istom smjeru (samo što nećemo znati gdje je sjeverni a gdje južni pol u tom umjetnom snažnom polju). Silnice magnetskog polja otprilike 400 puta lakše prolaze kroz željezo (feromagnetske materijale) nego kroz zrak i uvijek žele skratiti put. Otuda svojstvo privlačenja željeznih predmeta. Magnetsko polje ih jednostavno postavi u položaj manje potencijalne magnetske energije, odnosno tako da put magnetskih silnica bude najlakši. 3. Jakost magnetskog polja, magnetska indukcija i magnetski tok, krivulja histereze, elektromagnetizam Magnetsko polje i njegove učinke opisujemo s tri osnovne veličine. Jakost magnetskog polja H je ekvivalent jakost električnog polja i u osnovi se definira kao sila na jedinični izolirani magnetski sjeverni pol (što ne postoji). Mnogo je lakše shvatiti jakost magnetskog polja kada ono nastaje protjecanjem struje ili gibanjem naboja. Magnetsko polje je tada proporcionalno struji u vodiču i obrnuto proporcionalno duljini silnice, odnosno udaljenosti od vodiča. Silnice magnetskog polja su koncentrični krugovi oko vodiča kojim teče struja. Jakost magnetskog polja izražava se u A/m. Magnetska

6

indukcija B, mjeri se u teslama [T] i opisuje djelovanje magnetskog polja u određenom mediju. Povezana je s jakosti magnetskog polja H preko magnetske permeabilnosti μ: B=μH. I dok većina materijala ima permeabilnost približno jednaku onoj kod vakuuma, kod feromagnetskih materijala je ona više stotina puta veća i nelinearnog karaktera tako da se izražava putem krivulje histereze B(H). Kod većih vrijednosti jakosti magnetskog polja dolazi do zasićenja feromagnetskog materijala (iskorištena su njegova magnetska svojstva) pa je za daljnje magnetiziranje potrebno ulagati istu energiju kao kod neferomagnetskih materijala. Vrijednost magnetske indukcije kad nema polja (H=0) naziva se zaostali (remanentni, rezidualni) magnetizam koji objašnjava permanentni magnetizam. Zaostali magnetizam je izuzetno važan za samouzbudne generatore jer omogućuje induciranje napona dok još nema uzbudne struje, koju će tek taj inducirani napon potjerati. Gubitak zaostalog magnetizma jedan je od mogućih uzroka greške u sinkronizaciji generatora.

Otkriće elektromagnetizma, odnosno da se oko vodiča kojim teče struja, baš kao i oko elektrona u gibanju, stvara magnetsko polje, učinilo je preokret u razvoju tehnike i uskoro dovelo do otkrića prvog električnog motora, a nedugo zatim i istosmjernog generatora, što je potaklo industrijsku revoluciju i uvelo svijet u doba vladavine elektrotehnike. Cijeli elektromagnetizam možemo za naše potrebe sažeti u četiri jednostavna pravila koja će u nastavku biti detaljnije opisana. 4. Formiranje magnetskog polja u električnim strojevima.

Oko vodiča kojim teče struja stvara se magnetsko polje. Smjer polja određuje se pravilom desnog vijka. Ako se vodič namota na špulu (svitak, namot) i kroz njega pusti struja, nastaje snažan elektromagnet. Kako silnice magnetskog polja neusporedivo lakše prolaze kroz željezo nego kroz zrak električni strojevi imaju magnetsku jezgru načinjenu od čeličnih limova koji magnetsko polje stvoreno u uzbudnim namotima (elektromagnetima) vode do mjesta gdje će biti iskorišteno za stvaranje elektromagnetske sile ili induciranje napona u drugim

vodičima. U blizini brodskog magnetskog kompasa ne smiju teći ikakve struje jer bi stvoreno magnetsko polje poremetilo slabašno magnetsko polje zemlje i uzrokovalo veliku pogrešku u pokazivanju smjera plovidbe. 5. Faradayev zakon (pojava induciranog napona u vodiču)

Ako se vodljiva petlja (namot) nalazi u promjenljivom magnetskom polju u njoj će se prema Faradayevom zakonu inducirati napon. Ako se strujni krug zatvori inducirani napon će potjerati struju. Ovo se koristi kod transformatora. Nažalost po istom pravilu dolazi i do induciranja neželjenih napona u signalnim kabelima od utjecajem naglih promjena struje i prema tome magnetskog polja (vidi 4.) energetskih kabela, posebice kod pojave i još više

prekidanja struje kratkog spoja. 6. Induciranje napona u rotacionim strojevima

Na vodiču koji se kreće u magnetskom polju tako da siječe njegove silnice (ili obratno silnice se kreću i sijeku vodič) javlja se inducirani napon. Ako se strujni krug zatvori inducirani napon će potjerati struju. Na ovom se pravilu zasniva rad generatora. Inducirani napon u vodičima generatora koji nastaje vrtnjom rotora (presijecanjem silnica ili vodiča) odvodi se trošilima kroz koja će potjerati struju.

7. Elektromagnetska sila Na vodič koji se nalazi u magnetskom polju ako kroz njega teče struja djeluje sila. Sila je okomita na smjer struje (vodič) i na smjer magnetskog polja. Ovo pravilo se koristi kod pretvorbe električne energije u mehaničku, odnosno stvaranje sile, dakle u elektromotorima. Sila koja se javlja u vodičima rotora stvara moment koji se preko osovine prenosi na pogonjeni mehanizam (vitlo, pumpu, kompresor...). BRODSKI ELEKTRIČNI STROJEVI

1. Transformator

Transformator služi za pretvaranje izmjeničnog napona s jednog naponskog nivoa na drugi (npr. 440V/220V), pri čemu frekvencija ostaje nepromijenjena. Aktivni dijelovi transformatora su magnetska (željezna) jezgra, primarni i sekundarni namot. Kada se primarni namot priključi na izvor izmjeničnog napona kroz njega poteče odgovarajuća izmjenična struja koja stvori magnetsko polje u magnetskoj jezgri. Sekundarni namot obuhvaća magnetsku jezgru kroz koju prolaze silnice promjenljivog magnetskog polja odnosno promjenljivi magnetski tok pa se u njemu inducira izmjenični napon. Ako se na krajeve sekundarnog namota priključi električno trošilo inducirani napon potjera struju.

dtdNe

Blve

lNIH

BIlF

I+

U

-

N

S

I

B

F

I

-

B

v

+

PR

IMA

R

I1 I2

U1 U2

SE

KU

ND

AR

ŽELJEZNA JEZGRA

7

2. Istosmjerni motor Koristi se još samo na malim brodicama koje nemaju izmjeničnu struju (12V ili 24V DC) i na starijim dizalicama.

Na statoru se namotani na glavne polove nalaze uzbudni namotaji kroz koje teče istosmjerna uzbudna struja koja stvara glavno magnetsko polje koje je kao i struja koja ga je stvorila nepromjenljivo. Istosmjerna armaturna struja privedena motoru se preko ugljenih četkica i kolektora komutira (pretvara u izmjeničnu) i prenosi na rotorske (armaturne) vodiče koji su smješteni u utorima rotorskog paketa limova (željezo). Na rotorske vodiče kojima teče struja a nalaze se u magnetskom polju statora djeluje elektromagnetska sila koja zakreće rotor. Kroz rotorske vodiče teče struja samo dok prolaze ispod glavnih polova jer se u tom vremenu i lamele na kolektoru preko kojih se napajaju nalaze ispod četkica. Rotorska struja mora biti izmjenična kako bi vodiči kada prolaze ispod sjevernog pola imali suprotan smjer struje nego kada prolaze ispod južnog pola jer je u tom slučaju elektromagnetska sila suprotnog, a razvijeni moment istog smjera.

3. Istosmjerni generator Više se ne koristi. Po konstrukciji je isti kao i motor. Na statoru se namotani na glavne polove nalaze uzbudni namotaji kroz koje teče istosmjerna uzbudna struja koja stvara glavno magnetsko polje. Pogonski stroj okreće rotor na kojem se u utorima rotorskog paketa limova (željezo) nalaze rotorski (armaturni) vodiči koji pri tome sijeku silnice magnetskog polja statora, te se u njima inducira napon. Kako rotorski vodiči prolazeći ispod sjevernog pola sijeku silnice polja u jednom, a prolazeći ispod južnog pola u drugom smjeru, induciraju se pri tome naponi suprotnog polariteta, što znači da na rotorskim vodičima vlada izmjenični napon i da njima kad je generator opterećen teku izmjenične struje. Kolektor i četkice ispravljaju izmjenični rotorski napon tako da na četkicama pričvršćenim na stator vlada istosmjerni napon na koji se priključuju istosmjerna trošila. 4. Asinkroni kavezni motor Asinkroni kavezni motori su najviše korišteni motori na brodovima. Rade na principu okretnog magnetskog polja kao posljedice trofaznih struja koje teku trofaznim statorskim namotima. Vektor okretnog magnetskog polja rotira sinkronom brzinom ns=60f/p i pri tome siječe štapove (vodiče) rotora u kojima se stoga inducira napon. Kroz rotorske vodiče poteče struja a kako se nalaze u magnetskom polju statora na njih djeluje sila. Asinkroni motor ne stvara moment kod sinkrone brzine već se uvijek okreće manjom brzinom. Razlika između brzine rotora i brzine okretnog magnetskog polja naziva se klizanje: s=(ns-n)/ns . Nazivno klizanje iznosi 3-5%. Ako je klizanje veće (brzina niža od nazivne) motor je preopterećen. 5. Najčešći kvarovi asinkronih motora neispravan ležaj (manifestira se kao povećana buka i vibracije – zamijeniti ležajeve) spoj s masom (dok je motor u radu javlja se alarm niskog otpora izolacije i MΩ-metar na glavnoj rasklopnoj ploči

pokazuje mali otpor. Kontrolirati otpor izolacije direktno na motoru. Pokušati osušiti namote motora. Ako sušenje ne uspije motor mora na servis.)

kratki spoj (kod uključivanja izbaci prekidač ili pregore osigurači – motor treba zamijeniti drugim ili dati na popravak u servis)

6. Upućivanje asinkronih motora Mali motori: upućuju se direktno. Višebrzinski motori (vitla): upućuju se u najnižoj (prvoj) brzini. Veliki motori (velike pumpe, pramčani propeler): velika struja pokretanja uzrokuje pad napona i frekvencije jer je brodski elektroenergetski sustav relativno slab pa se moraju pokretati pomoću indirektnih uputnika: uputnik zvijezda–trokut, uputnik s autotransformatorom, tiristorski uputnik Regulirani elektromotorni pogoni napajani iz pretvarača frekvencije ne trebaju posebne uputnike jer im se tijekom zaleta kontrolirano povećavaju napon i frekvencija (najbolje). 7. Sinkroni generator (samouzbudni beskontaktni)

Sinkroni generatori su osnovni izvori električne energije na brodu. Danas se ugrađuju isključivo samouzbudni beskontaktni sunkroni generatori. Sastavljeni su od glavnog generatora i uzbudnika (exciter). Glavni generator je sinkroni stroj s trofaznim namotima na statoru i uzbudnim namotima na polovima rotora. Uzbudom teče istosmjerna struja stvarajući tako magnetsko polje. Pogonski stroj okreće rotor pa silnice polja sijekući statorske namotaje induciraju u njima trofazni izmjenični napon. Uzbudnik je invertirani sinkroni generator (uzbuda na statoru – trofazna armatura na rotoru). Statorski uzbudni namotaji uzbudnika spojeni su na trofazni napon induciran u statoru glavnog generatora preko diodnog ispravljača i regulatora napona koji daju istosmjernu struju, koja stvara magnetsko polje. Zbog vrtnje rotora, rotorski vodiči uzbudnika presijecaju silnice polja pa se u njima inducira trofazni napon koji se na

rotoru ispravlja na diodnom ispravljaču i dovodi na uzbudne namotaje glavnog generatora. 8. Primarne električne zaštite generatora Primarne zaštite su smještene u generatorskom prekidaču kojeg isključuju direktnim mehaničkim putem. To su:

+-

RO

TOR

STAT

OR

+-

ROTACIJSKEDIODE

GENERATOR UZBUDNIK

+ -

+

-

F

F

8

zaštita od kratkog spoja ( I>> ) ima vremensko zatezanje (dt) - zbog selektivnosti prekostrujna zaštita ( I> )

isključuje na 1,2In (In =nazivna struja) vremensko zatezanje zbog pokretanja velikih motora

podnaponska zaštita ( U> ) rezervna zaštita od kratkog spoja isključuje na 0,85Un (Un = nazivni napon) vremensko zatezanje zbog pokretanja velikih motora, sinkronizacije i selektivnosti isključivanja

kratkog spoja 9. Sekundarne električne zaštite generatora Sekundarne zaštite su smještene u glavnoj rasklopnoj ploči (GRP), a prekidač u slučaju potrebe isključuju električnim putem pomoću svitka za isključivanje. Najznačajnije sekundarne zaštite su:

zaštita od preopterećenja (prorađuje prije prekostrujne zaštite i isključuje manje važna trošila kod preopterećenja generatora)

zaštita od povratne snage (isključuje generator kod negativne snage i tako sprječava motorski rad generatora kod poremećaja u radu pogonskog stroja npr. kvara ili pogrešnog rukovanja)

termička zaštita (senzor mjeri temperaturu namotima generatora i isključuje generator kad je previsoka-uglavnom zbog prljavog filtra zraka)

10. Najčešći kvarovi na samouzbudnom beskontaktnom sinkronom generatoru Spoj s masom: Kada je generatorski prekidač uključen javlja se alarm niskog otpora izolacije i MΩ-metar na glavnoj rasklopnoj ploči pokazuje mali otpor. Kontrolirati otpor izolacije direktno na generatoru. Pokušati osušiti namote generatora. Ako sušenje ne uspije generator mora na servis. Kvarovi na uzbudi: Manifestiraju se tako što nakon upućivanja generator uopće ne generira napon ili napon na trenutke slabi odnosno nestaje. Ako se nakon isključivanja automatske regulacije napona napon stabilizira, kvar je u automatskom regulatoru napona. Ako problemi ostanu kvar je negdje u krugu uzbude, a najčešće je to:

gubitak remanentnog magnetizma: potrebno je dok se generator vrti na nekoliko sekundi priključiti 4 baterije od 1,5 volta spojene u seriju na uzbudne stezaljke uzbudnika.

olabavljeni kontakt (prekontrolirati sve spojeve i po potrebi ih pritegnuti) neispravna dioda u rotorskom ili statorskom ispravljaču.

11. Paralelni rad generatora Nužan je zbog prilagođavanja proizvodnje el. energije trenutnim potrebama u različitim fazama eksploatacije broda, kako bi pogonski strojevi bili optimalno opterećeni odnosno radili sa što manjom specifičnom potrošnjom [g/kWh]. Prije početka manevra pa sve do njegovog završetka obično su priključeni svi glavni generatori (dizel-generatori), ne samo zbog eventualne velike očekivane potrošnje (bočni porivnici, vitla) već i zbog povećanja raspoloživosti elektroenergetskog sustava a time i sigurnosti broda. Ovo vrijeme ipak treba maksimalno skratiti jer je potrošnja goriva povećana a nedovoljno opterećeni pomoćni motori se prljaju. Problemi paralelnog rada: sinkronizacija, raspodjela djelatne snage [kW], raspodjela jalove snage [kVAr], zaštita od povratne snage 12. Sinkronizacija Sinkronizacija je postupak automatskog ili ručnog uključivanja sinkronog generatora u paralelni rad s mrežom pri čemu se nakon što su ispunjeni svi uvjeti uključuje generatorski prekidač. Svako isključivanje ili uključivanje većih trošila tijekom sinkronizacije utječe na ravnotežu sustava i produljuje vrijeme sinkronizacije (npr. vrlo je teško a često puta i nemoguće napraviti sinkronizaciju dok rade teretna vitla). Uvjeti sinkronizacije:

isti redoslijed faza (kod instalacije) isti napon (o tome se brine automatski regulator napona) približno ista frekvencija (generator malo brži od mreže) da nema faznog pomaka između napona generatora i mreže (određuje se pomoću sinkronoskopa ili

sinkronizacijskih lampi najčešće u tamnom spoju) 13. Raspodjela djelatne snage [kW] Nakon sinkronizacije novo-priključeni generator radi bez opterećenja. Raspodjela djelatne snage vrši se tako da mu se preko regulatora broja okretaja pogonskog stroja (dizel motor, turbina) poveća dovod goriva uz adekvatno smanjenje istog na preostalim generatorima u paralelnom radu kako bi se zadržala konstantna frekvencija. Najčešće se prakticira jednako opterećenje svih generatora u paralelnom radu (EQUAL LOAD). Kod uključenja ili isključenja nekog (većeg) trošila dolazi do brze raspodjele opterećenja koja ovisi o nagibu karakteristika opterećenja pogonskih strojeva f(P). Razlikujemo statičku (kosu) i astatičku (ravnu) karakteristiku. Nagib karakteristike se može podešavati. Osovinski generator zbog mnogostruko veće snage pogonskog stroja ima astatičku karakteristiku. 14. Raspodjela jalove snage [kVAr] Generatori pored djelatne snage moraju osigurati i nesmetanu razmjenu jalove snage.Najveći dio potrošnje električne energije na brodu otpada na asinkrone kavezne motore, tako da se faktor snage (cos φ) kreće oko 0,8. Raspodjela jalove snage između generatora u radu i regulacija napona mreže vrši se promjenom uzbudne struje generatora preko automatskog regulatora napona (ARN). Povećanjem uzbudne struje generator preuzima više jalove snage. Slično kao i regulator broja okretaja i ARN može imati statičku i/ili astatičku karakteristiku U(Q). U paralelnom radu je obavezna

9

statička karakteristika, dok se u otočnom radu ponekad prakticira prelazak na astatičku karakteristiku zbog veće stabilnosti napona. POMORSKI FAKULTET U RIJECI SMJER NAUTIKE I TEHNOLOGIJE POMORSKOG PROMETA BRODSKI ELEKTRIČNI SUSTAVI (NOVI PROGRAM) Dr. sc. Dubravko Vučetić ver. 6.00 (2014) 2. KOLOKVIJ PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE NA BRODU 1. AUTOMATIKA BRODSKE ELEKTRIČNE CENTRALE Lokalna:

automatski regulator broja okretaja na pogonskom stroju automatski regulator napona automatski start generatora za nužnost

Sistemska: automatski start stand by agregata kod:

blackouta alarma na agregatu u radu povećanja potrošnje potrebe uključenja velikog trošila

automatsko zaustavljanje agregata kod smanjenja potrošnje automatska sinkronizacija automatska raspodjela snage [kW] automatska regulacija frekvencije automatsko rasterećenje prije isključivanja s mreže sekvencijalni start esencijalnih pumpi nakon blackouta blokada uključenja velikih trošila (pramčani porivnik, el. pumpe tereta) odabir načina rada (minimalni broj generatora u radu) odabir prioriteta generatora (redoslijed uključivanja i isključivanja)

2. IZVORI ELEKTRIČNE ENERGIJE NA BRODU Glavni generatori:

dizel-motor (najčešće) parna turbina (turbinski pogon broda) plinska turbina (el. propulzija)

Generatori za povećanje ekonomičnosti: osovinski generator (pogonjen glavnim strojem) parni turbogenerator (koristi paru iz KIP-a) lučki generator (manji dizel-agregat za rad na vezu kada je potrošnja energije premala za rad glavnog

generatora, na brodovima koji ga nemaju može ga zamijeniti generator za nužnost) Generator za nužnost: (vidi sljedeće pitanje) Akumulatorske baterije:

u akumulatorskoj stanici za napajanje sigurnosne mreže 24V i ponekad istosmjerne mreže 110 odnosno 220V kod agregata za nužnost za njegovo pokretanje dvije vrste: olovne PbO (jeftinije) i čelićne NiCd (trajnije)

Galvanski članci (baterije) za prijenosne ručne svjetiljke i komunikacijske uređaje 3. DIZEL-GENERATORI Sinkroni generator pogonjen dizelskim motorom je najviše zastupljen izvor energije na brodovima. Brodski generatori se uvijek spajaju izravno na pomoćne motore (bez upotrebe reduktora) pa se za njihov pogon koriste brzohodni ili srednjohodni dizelski motori. Najznačajnije prednosti dizel motora, kao pogonskog stroja generatora, su trenutna spremnost na rad, mogućnost kvalitetne regulacije brzine i visoki stupanj korisnosti.

10

Moderni dizel motori iskorištavaju oko 40% energije sadržane u gorivu, što je vrlo velika korisnost u usporedbi s ostalim toplinskim strojevima. Efikasnost dizel motora ovisi o opterećenju i vrlo brzo opada kada ono padne ispod 50% nazivne snage, što se može vidjeti iz dijagrama specifične potrošnje prikazanog na slici. Pri malom opterećenju izgaranje smjese nije potpuno pa dolazi do stvaranja čađe, sumpornih (SOx) i dušičnih (NOx) spojeva, što za posljedicu ima povećane emisije štetnih plinova i češće održavanje. Zbog toga je izuzetno važno optimizirati sustav proizvodnje električne energije na način da generatori, bilo samostalno ili u paraleli, u svim fazama eksploatacije broda, čim više rade u području optimalne iskoristivosti, tj. sa 60-90 % opterećenja. Obično se na trgovačkim brodovima kao optimalan broj generatora uzima 2-4, dok na brodovima sa električnom propulzijom taj broj može biti i dvostruko veći (4-6). 4. GENERATOR ZA NUŽNOST

nalazi se u nadgrađu broda uz ploču za nužnost pogonjen je potpuno autonomnim dizel-motorom nema ograničenja po duljini rada uz automatski sustav pokretanja ima osiguran i rezervni način pokretanja relativno male snage jer napaja samo najnužnija trošila presudna za sigurnost broda koja su priključena na

ploču za nužnost: 1/3 rasvjete protupožarne pumpe protupožarne pregrade vatrodojavu pomoćni kompresor pomoćne pumpe kormilarski uređaj navigacijska svjetla navigacijske uređaje komunikacijske uređaje automatiku

5. OSOVINSKI GENERATORI

Privješeni su na glavni porivni stroj direktno ili putem reduktora i varijatora (con speed) Snaga generatora je dovoljno velika da pokrije svu potrošnju u zadanim režimima eksploatacije. Većinom se koriste samo u navigaciji, ali na nekim brodovima i za manevar, prekrcaj, naglo hlađenje tereta... Osnovni problem osovinskih generatora je održavanje konstantne frekvencije kod različite veličine poriva. Nagli manevar može kod CPP izazvati blackout Zaustavljanjem glavnog motora nastaje blackout sve dok se ne uključi jedan od glavnih generatora.

Prednosti:

jeftinija proizvodnja električne energije zbog: većeg stupnja korisnosti glavnog porivnog stroja niže cijene goriva (HFO) smanjenih troškova održavanja pomoćnih strojeva

smanjenje težine el. centrale (nema pogonskog stroja) velika snaga osovinskog generatora smanjenje buke (kada ne rade pomoćni strojevi)

Četiri rješenja osovinskih generatora: Kombinacija s brodskim vijkom s prekretnim krilima Kombinacija s varijatorom (con-speed) Kombinacija s statičkim pretvaračem frekvencije Asinkroni generator

6. OSOVINSKI GENERATOR NA BRODU S BRODSKIM VIJKOM S PREKRETNIM KRILIMA (CPP)

Generator je spojen direktno ili preko reduktora na osovinu glavnog stroja čiji regulator broja okretaja održava konstantan broj okretaja pa i konstantnu frekvenciju

Poriv se mijenja promjenom koraka brodskog vijka.

175

180

185

190

195

200

205

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

g/kWh

11

Moguć je i prekret (vožnja unazad), ali se manevar s osovinskim generatorom ne prakticira iz razloga sigurnosti ( u slučaju manevra naglog zaustavljanja dolazi do velikih oscilacija frekvencije i raspada elektroenergetskog sustava)

Kod teškog mora zbog izranjanja brodskog vijka dolazi do sličnih problema pa se osovinski generator mora isključiti a okretaji motora smanjiti.

Često je korištena izvedba s razdvajanjem sabirnice tako da u manevru osovinski generator napaja samo pramčani porivnik kojemu konstantna frekvencija nije od velikog značaja

7. OSOVINSKI GENERATOR U KOMBINACIJI S VARIJATOROM (CON-SPEED) Generator se spaja na osovinu glavnog stroja s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP) preko varijatora koji kod promijenljivog broja osovine (70-100%) daje na osovini generatora konstantan broj okretaja. Danas se koriste varijatori koji rade na mehaničko-hidrauličkim principima. Nedostaci:

komplicirano održavanje kvarovi

8. OSOVINSKI GENERATOR U KOMBINACIJI S STATIČKIM PRETVARAČEM FREKVENCIJE

Generator se spaja na osovinu glavnog stroja direktno ili preko reduktora. Promjenom broja okretaja brodskog vijka (FPP) mijenja se i frekvencija generatora. Generator se električki spaja na mrežu preko posebnog elektroničkog uređaja - pretvarača frekvencije - koji

na izlazu daje potpuno konstantnu frekvenciju i napon. 9. NAČINI UGRADNJE OSOVINSKIH GENERATORA

direktno na osovinski vod (srednjehodni motori) na reduktor propulzije (srednjehodni motori) direktno na stražnji dio glavnog stroja (srednjehodni motori i vrlo rijetko sporohodni) na stražnji dio glavnog stroja preko reduktora za povećanje broja okretaja (sporohodni motori)

Generatori koji rade na malim okretajima moraju imati veliki promjer kako bi se postigla dovoljna obodna brzina za induciranje napona i mogao smjestiti veliki broj polova potreban za postizanje tražene frekvencije. Ako nije ugrađena spojka za odvajanje osovinskog generatora a dođe do mehaničkog kvara na njemu glavni stroj privremeno ostaje izvan funkcije. 10. AKUMULATORSKE BATERIJE Ukoliko na brodu nema dizel-generatora već se kao izvor energije za nužnost koriste akumulatorske baterije one imaju ograničeni kapacitet, pa je prema tome i vrijeme u kojem se mogu koristiti bez nadopunjavanja ograničeno i ovisi o priključenoj potrošnji. Ukoliko se zbog velikog kvara očekuje da će blackout potrajati dulje treba maksimalno smanjiti potrošnju odnosno isključiti sva nepotrebna trošila. Najmanje vrijeme u kojem baterije moraju napajati zadanu potrošnju određeno je pravilima registra i ovisi o području plovidbe i veličini i vrsti broda i kreće se od 3 do 18 sati. Ako se akumulatorske baterije koriste samo kao kratkotrajni izvor energije za napajanje u nužnosti moraju najmanje 30 minuta osigurati napajanje pomoćne rasvjete, komunikacije i signalizacije. 11. SPECIFIČNOSTI PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE NA BRODU

Otočni rad (autonoman sustav koji mora podmiriti sve potrebe potrošnje koja se jako mijenja u različitim fazama eksploatacije)

Visoka pouzdanost i raspoloživost jer ček i kratkotrajni raspad sustava može ozbiljno ugroziti sigurnost broda, tereta i posade (u manevru, kod teških meteoroloških uvjeta)

Žilavost (u slučaju havarije na dijelu elektro-energetskog sustava mora postojati mogućnost uspostave vitalnih funkcija broda u što kraćem vremenu)

Jednostavnost rukovanja i održavanja (relativno niska stručnost posade, visoki troškovi i nedostupnost servisa) 12. BLACKOUT Blackout je potpuni raspad elektroenergetskog sustava. Nastupa kada na glavnim sabirnicama nema napona a to znači da na njih nije priključen niti jedan generator. Zaustave se svi elektromotorni pogoni i glavni porivni stroj ide u shut down. Nakon 30-tak sekundi starta generator za nužnost i priključi se na sklopnu ploču za nužnost pa prorade sva njena trošila uključujući kormilo i rasvjetu za nužnost. Kada se konačno uputi jedan od glavnih generatora odmah se, bez sinkronizacije, automatski ili ručno priključuje se na glavne sabirnice. Svaki Blackout treba istražiti kako se ne bi ponovila ista greška. Na dobro vođenom brodu blackout je izuzetno rijetka pojava. i može nastati samo zbog iznenadnog nepredvidivog kvara.

12

BRODSKI ELEKTRIČNI SUSTAVI 1. ELEKTRIČNE INSTALACIJE (MREŽE) NA BRODU visokonaponska mreža(3,3 kV; 6,6 kV; 11 kV,

15kV 60Hz) glavna niskonaponska mreža (440V 60Hz) niskonaponska mreža za nužnost (440V 60Hz) glavna mreža rasvjete (220V ili 110V 60Hz)

mreža rasvjete za nužnost (220V ili 110V 60Hz) mreža pomoćnog sigurnosnog napona (24V DC) komunikacijska mreža signalna mreža

2. NEUZEMLJENI ELEKTRIČNI SUSTAV

Zvjezdište generatora nije spojeno na masu pa je cijeli električni sustav izoliran od trupa broda. Koristi se na gotovo svim brodovima s niskonaponskim elektroenergetskim sustavom. Masa broda se zbog parazitskih kapaciteta (kapacitet kabela i namota električnih uređaja prema masi) i

simetričnosti sustava u normalnim uvjetima nalazi na potencijalu zvjezdišta generatora . Kada dođe do zemnog spoja (spoja s masom) poteče struja koja se zatvara preko parazitskih kapaciteta pa je

mala, a time je manja i opasnost od požara i oštećenja. To je osnovna prednost izoliranog sustava. Veličina struje zavisi od veličine ukupnog parazitskog kapaciteta a ovaj o veličini sustava i ne smije biti veća od 20A jer bi tada opasnost od požara i oštećenja uređaja bila prevelika.

Sustav koji je u spoju s masom može u cijelosti nastaviti sa radom sve dok ne dođe do drugog spoja s masom na drugoj fazi što tada predstavlja dvopolni kratki spoj.

Detekcija spoja s masom vrši se pomoću posebnog uređaja koji automatski mjeri otpor izolacije i aktivira alarm. Signalizacija ide preko zemnospojnih lampi, a zatim preko M metra.

Dulje trajanje spoja s masom se ipak ne treba tolerirati jer je izolacija sustava (kabeli i uređaji) preopterećena 3 puta odnosno 73% jer je sada izložena linijskom a ne više faznom naponu. Predviđeno je da takvo stanje može trajati do 200 sati godišnje (pojačana izolacija).

Jednofazna trošila se spajaju na ploču rasvjete napajanu preko transformatora 440/220 ili 440/110V. Jednofazni potrošaći napajaju se dakle sa dvije faze. Stoga se uključuju i štite s dvopolnim rasklopnim uređajima. 2. ELEKTRIČNI SUSTAV UZEMLJEN PREKO VELIKOG OTPORA

Zvjezdište generatora je spojeno na masu (trup broda) preko velikog otpora Ovom metodom omogućuje se ugradnja zaštita od zemnog spoja koje isključuju dio sustava koji je u spoju s

masom i tako eliminiraju porast napona zdravih faza prema trupu. Koristi se uglavnom na visokonaponskim sustavima.

Generatori na brodovima sa visokim naponom najčešće imaju zvjezdište uzemljeno preko velikog otpora. Pri tome je u svakom zvjezdištu ugrađen prekidač jer samo jedan od generatora u radu smije biti spojen na masu.

Otpor između zvjezdišta generatora i mase broda dimenzionira se tako da struja zemnog spoja ne pređe 20A. Poželjna je naravno čim manja struja ali ona ovisi o osjetljivosti zaštita koje moraju brzo isključiti dio mreže u spoju sa masom. Što su zaštite osjetljivije to su složenije i skuplje. 3. RAZVOD ELEKTRIČNE ENERGIJE U pravilu se primjenjuje radijalna (zrakasta) shema razvoda koja se zrakasto širi od električne centrale (Glavne rasklopne ploče - GRP) prema potrošnji uz grananje u razdjelnicima snage i rasvjete. Prednosti su joj niska cijena, jednostavno održavanje i pronalaženje mjesta kvara.

G G G

M M M M MMMM

M M M

M M MM M M

M M M

M M M

M M MM M M

M M M

440/220V 440/220V

Glavna rasklopna ploca440V 60Hz

Sklopna plocarasvjete 220V 60Hz

Sklopna ploca rasvjete za nužnost 220V 60Hz

Rasklopna ploca zanužnost 440V 60Hz

G

M M M M M M

Sklopna ploca manje važnih trošila

Esencijalnatrošila 2

Esencijalnatrošila 1

Razdjelnicisnage

Razdjelnicisnage

Razdjelnicisnage

Razdjelnicisnage

Glavni generatori

Generator za nužnost

MMMM

M M

Razdjelnicirasvjete

M M Razdjelnicirasvjete

4. SELEKTIVNOST ZAŠTITE OD KRATKOG SPOJA Kratki spoj nastaje kada se zbog kvara ili ljudske pogreške, direktno ili preko mase dodirnu dva ili tri fazna vodiča (dvopolini ili tropolni kratki spoj) Struja kratkog spoja ovisi o mjestu na kojem je nastao i to je snažniji što je bliži glavnoj sklopnoj ploči odnosno generatorima. Najsnažniji kratki spojevi mogu razviti struju od 40 i više kA. Svaki kratki spoj treba što prije isključiti kako bi se spriječio veće oštećenje električnog sustava i pojava požara.

13

Selektivnost se primjenjuje kako bi se kod pojave kratkog spoja što prije isključio samo dio sustava u kvaru. Selektivnost po vremenu

krajnji prekidači (osigurači) izbacuju trenutno na svakom sljedećem nivou (bliže generatorima) dodaje se kašnjenje pri isključivanju prekidača od po 0,2s. zadnji isključuje generatorski prekidač koji ima i najveće podešeno kašnjenje. bliski kratki spoj ugrožava stabilnost sustava zbog pada frekvencije i napona

Selektivnost po struji Koristi se u mreži rasvjete i na manjim razdjelnicima snage Prije izbacuje osigurač (prekidač) s manjom nazivnom strujom

5. KABELI Brodovi zavisno od veličine i namjene ukupno imaju 100 do 250 km energetskih, signalnih, upravljačkih i komunikacijskih kabela. Karakteristike brodskih kabela:

imaju atest Registra dimenzioniraju se prema nazivnoj struji i padu napona koji kod krajnjeg trošila ne smije biti veći od 5%.

Treba paziti: da ne dođe do mehaničkog ili termičkog oštećenja da voda ne uđe u kabel da su dobro učvršćeni (zbog habanja i velikih sila kod kratkog spoja) signalni i komunikacijski kabeli (osim optičkih) se nikada ne polažu uz energetske, a trase im se moraju sjeći

pod pravim kutom. osigurati kvalitetno brtvljenje na prolascima kroz pregrade i palube, te na uvodnicama kroz koje ulaze u

električne uređaje premda ne gore, kada se nađu u vatri svi kabeli stvaraju zagušujuće i gotovo uvijek izuzetno otrovne smrtonosne

plinove. BRODSKA ELEKTRIČNA TROŠILA 1. ELEKTROMOTORNI POGONI PALUBNIH STROJEVA Postoje dvije osnovne izvedbe: Električna: elektromotor direktno ili preko mehaničkog prijenosa pogoni palubni uređaj. Elektromotor može biti pod palubom, na palubi ili ugrađen u bubanj vitla. Motori su potpuno zatvorene izvedbe i imaju ugrađene grijače, ali se ipak događa da u njih prodre vlaga pa ih treba sušiti. Dobro je poslije nevremena a svakako dan prije ulaska u luku provjeriti da li su ispravni. Najveća brzina ima najmanji moment pa nije pogodna za čupanje i dizanje sidra ili privlačenje broda. Motori su termički jako opterećeni. Koriste se: višebrzinski ili frekventno upravljani asinkroni motori. Zastarjele izvedbe su s kolutnim asinkronim motorima ili istosmjernim motorima u Ward-Leonardovom spoju ili napajanim iz statičkih ispravljača. Elektro-hidraulička izvedba: Mnogo češća i primjerenija za veće brodove. Kavezni asinkroni motor u trajnom režimu (stalno uključen) pogoni hidrauličku pumpu. Upravljanje se izvodi otvaranjem i zatvaranjem ventila koji pune hidrauličke cilindre. 2. KORMILARSKI UREĐAJ Postoje dva motora (jedan radi, a drugi je u rezervi). Dvostruko napajanje s dva kabela: sa glavne razvodne ploče i s ploče za nužnost (jedan kabel ide lijevom a drugi desnom stranom broda). Izbor motora i napajanja vrši se ručno na komandnom mostu. U slučaju blackouta treba preklopku prebaciti na generator za nužnost kako bi se moglo koristiti kormilo. Do preopterećenja motora odnosno hidrauličkog sustava može doći ako je kod nemirnog mora na autopilotu postavljeno premalo dozvoljeno odstupanje od kursa pa kormilo previše radi. Zaštita od preopterećenja ne isključuje motor već samo aktivira alarm (treba što prije uključiti drugu pumpu i isključiti preopterećeni motor). Zaštita od kratkog spoja isključuje motor. U slučaju nestanka napajanja ili kvara na motoru kormilo ostaje blokirano u istom položaju. 3. TERETNA VITLA Elektromotori za pogon teretnog vitla su termički najopterećeniji motori jer tijekom prekrcaja obavljaju mnogo ciklusa (zalet, dizanje, zalet, kočenje) u kratkom vremenu (intermitirani režim rada), pa imaju pridodano i nezavisno hlađenje posebnim ventilatorom te ugrađenu termičku zaštitu koja isključuje motor kad se pregrije. Predviđeno je i do 120 ciklusa na sat. Vitlo je opremljeno i elektromagnetskom kočnicom koja se blokira kada se motor zaustavi ili nestane napajanja. Nakon povratka vitlo ne može krenuti ako se ručica na upravljačkoj konzoli najprije ne postavi u položaj 0. Teret se može spustiti i ručnim otpuštanjem kočnice. 4. BOČNI PORIVNICI Pramčani i krmeni bočni porivnici eliminiraju korištenje remorkera. Omogućuju dinamičko pozicioniranje. Veliki potrošači jer im je snaga ponekad jednaka snazi jednog dizelgeneratora pa automatika blokira start ako na mreži nema dovoljno

14

generatora. Problem predstavlja velika struja pokretanja. Ponekad se koriste zasebne sabirnice za pramčani propeler i osovinski generator u varijanti CPP Za bočne porivnike koriste se sljedeći motori:

Asinkroni kavezni sa autotransformatorom i zakretnim krilima (starta u nultom položaju pomoću indirektnih uputnika kako bi se ublažio veliki udarac struje. Nakon zaleta se poriv regulira zakretom krila).

Asinkroni kavezni motor napajan iz pretvarača frekvencije s kontinuiranom regulacijom brzine (vrlo meki start s relativno malom strujom., kontinuirana regulacija okretaja)

Višebrzinski asinkroni kavezni motor (starta samo u prvoj brzini, nerazumno česti zaleti mogu dovesti do preopterećenja)

Kolutni asinkroni motori (zastarjelo rješenje, meki start uz malu struju) 5. BRODSKA RASVJETA Mreže rasvjete:

Osnovna rasvjeta Rasvjeta za nužnost (napaja se sa ploče za slučaj nužnosti, a osigurava 1/3 osnovne rasvjete) Rasvjeta za nužnost-pomoćna rasvjeta (napajanje iz akumulatora 24V, 110V ili 220V, ali se primjenjuju i

autonomne svjetiljke s vlastitim akumulatorskim baterijama) Kod malih brodova se ne ugrađuje generator za nužnost pa postoji samo rasvjeta za nužnost napajana iz akumulatora. Rasvjeta u protueksplozijskoj izvedbi radi se s dva odvojena strujna kruga za svaku prostoriju s blokadom zbog održavanja. Signalno-navigacijska svjetla:

dvostruke sijalice (preklopka za prebacivanje na mostu) zvučna i svjetlosna signalizacija kvara (na mostu) napajanje iz glavne rasklopne ploče i rasklopne ploče za nužnost (preklopka za prebacivanje na mostu)

Svjetla za spašavanje s ultraljubičastim zračenjem (crna svjetla) idealna su za pronalaženje utopljenika koji imaju reflektirajuće trake jer prolaze kroz maglu bez refleksa. UV zračenje je jako opasno za oči i kožu!

Ploča navigacijskih svjetala 6. IZVORI SVJETLOSTI Žarulje

Svjetlost nastaje isijavanjem užarene volframove niti. Samo 5-15% dovedene energije se pretvara u vidljivo svjetlo. Svjetlosni tok se smanjuje tijekom eksploatacije zbog oksidacije i tanjenja niti i jako ovisi o naponu (5% veći

napon povećava svjetlosni tok za 20% i smanjuje životni vijek na polovicu i obratno). Trajnost 1000 sati obične 2000 sati halogene.

Izvori svjetlosti s električnim pražnjenjem Izvori svjetlosti sa električnim pražnjenjem zrače svjetlost zbog električnog pražnjenja kroz plinove i/ili metalne

pare. Baloni su najčešće punjeni natrijem ili živom. Kod puknuća balona dolazi do implozije ali i širenja otrovnih para i

praha u okolni prostor. Stare lampe se zbrinjavaju kao opasan otpad. Korisnost je veća od 25% Trajnost do 20 000 sati Natrijeve lampe su najefikasnije ali daju monokromatsko žuto svjetlo na kojem se teško ili nikako ne razaznaju

boje. Neke lampe treba prije paljenja dulje vrijeme zagrijavati. Takve se obično nakon gašenja ne mogu odmah

ponovno upaliti već treba čekati 10 i više minuta. Stare fluorescentne lampe kojima je oštećen florescentni sloj (obično na krajevima) zrače opasnim UV zračenjem i

mogu izazvati rak kože. Fluorescentne žarulje nisu ugodne za rad jer svjetlo malo treperi što oko ne primjećuje ali se umara.

SIGURNOST 1. PREDNOSTI ELEKTRIČNIH UREĐAJA

trenutna spremnost za pogon

15

jednostavnost prijenosa energije jednostavna pretvorba u mehaničku, svjetlosnu, kemijsku i toplinsku energiju stabilne pogonske karakteristike pouzdanost jednostavnost rukovanja i održavanja visoki stupanj korisnosti dug životni vijek neznatan utjecaj na okoliš

2. NEDOSTACI ELEKTRIČNIH UREĐAJA

opasnost od strujnog udara opasnost od izazivanja požara i eksplozije osjetljivost na vlagu

3. DJELOVANJE STRUJNOG UDARA NA ČOVJEKA Biološko (grčenje mišića, treperenje i paraliza srca, paraliza disanja, nesvjestica, smrt) Toplinsko (vanjske i unutarnje opekotine, zagrijavanje krvnih žila) Elektrolitsko (rastvaranje krvi i drugih tjelesnih tekućina) Mehaničko (lomljenje kostiju, iščašenje zglobova, kidanje mišića i tetiva) 4. FAKTORI KOJI UTJEČU NA POSLJEDICE STRUJNOG UDARA put prolaska struje kroz čovjeka (srce) trajanje strujnog udara (ako je kraće od 0,1s nema posljedica niti kod 100mA) jakost struje

0,6-3mA donji prag osjeta 10-15mA grčenje mišića 20-25mA problemi s disanjem 50mA donja granica smrtne opasnosti 100mA gotovo sigurna smrt

5. UTJECAJ NAPONA NA POSLJEDICE STRUJNOG UDARA Iako je formalno točno da ubija struja (mA) a ne napon (V), činjenica je da napon potjera struju i da je visina struje proporcionalna naponu. Treba se dakle čuvati svih uređaja koji su pod naponom višim od 50V. 6. OSNOVNI PRINCIPI TEHNIČKE ZAŠTITE OD UDARA ELEKTRIČNE STRUJE

onemogućiti dodir s dijelom uređaja koji je pod naponom ograničiti jakost struje (napon dodira) na bezopasan iznos ograničiti vrijeme trajanja strujnog udara

7. MJERE TEHNIČKE ZAŠTITE OD UDARA ELEKTRIČNE STRUJE

Izvan dohvata (dijelovi pod naponom su ograđeni ili dovoljno udaljeni da se ne mogu dodirnuti) Izolacija (dijelovi pod naponom su odijeljeni izolacijom (plastično kućište, tipkala, ručice ...)) Dvostruka izolacija (kućište može biti metalno ali je električni dio unutar njega dvostruko izoliran) Sigurnosni napon (napon instalacije niži od 50V) Galvansko odvajanje (izolacijski transformator 1:1 onemogućuje zatvaranje strujnog kruga kroz čovjeka) Zaštitno uzemljenje (izjednačenje potencijala svih dostupnih vodljivih dijelova s potencijalom trupa)

8. MJERE OSOBNE ZAŠTITE PRI RADU S ELEKTRIČNOM STRUJOM

nositi suhu odjeću i cipele s gumenim potplatom isključiti strujni krug sa napajanja ako je moguće osigurati da ne može doći do hotimičnog uključenja (izvaditi osigurač, zaključati sklopku ili prekidač, blokirati

automatiku) postaviti znak upozorenja na bitnim mjestima obavijestiti sve involvirane što radite, a posebno one koji mogu daljinski hotimice uključiti uređaj na kojem radite. po potrebi koristiti gumenu prostirku za klečanje, ležanje ili sjedenje koristiti alat s izoliranim drškama prije prvog kontakta sa strujnim krugom provjeriti provjerenim voltmetrom ili ispitivačem s dvije žice da li je isti

pod naponom (ne smije se koristiti kućni ispitivač napona – odvijač) ako se strujni krug ne može isključiti koristiti gumene ili suhe kožne rukavice koristiti plastičnu zaštitnu kacigu kada postoji opasnost od kontakta s vodičima pod naponom ili ozlijede glave

prilikom pada vezati se kod rada na visini

16

prije pružanja pomoći unesrećenom isključiti napajanje ako je moguće, a ako nije koristiti neki izolator (suhe rukavice, komad suhe odjeće, cipelu...) pri njegovom odvajanju od vodiča pod naponom

PROTUEKSPLOZIJSKA ZAŠTITA 1. ELEKTRIČNI UREĐAJI I OPASNOST OD EKSPLOZIJE I POŽARA

Ako je u prostoru prisutna eksplozivna koncentracija gorivog plina i zraka, električna iskra može poslužiti kao upaljač koji će upaliti smjesu i tako izazvati eksploziju.

Slab kontakt (labav, oksidiran, pregrijan) izaziva jako zagrijavanje (čak i taljenje materijala) i može izazvati požar ako se u blizini nađe gorivi materijal.

Pregrijavanje vodiča (unutar uređaja ili priključnih kabela) uslijed preopterećenja, kratkog spoja ili spoja s masom može također izazvati požar.

2. ZONE OPASNOSTI OD EKSPLOZIJE Zona 0 - eksplozivna koncentracija je trajno ili dugotrajno prisutna (zatvoreni prostori spremišta, odjeljaka i prostorije sa pumpama goriva i tereta...) Najopasnija zona. Izbjegava se ugradnja električne opreme. Dozvoljeno je samo: Exi, Exs Zona 1 - velika vjerojatnost pojave eksplozivne koncentracije tijekom normalnih uvjeta eksploatacije (zatvoreni i poluzatvoreni prostori, na palubi tankera, prostori koji graniče s odjeljcima i spremištima, akumulatorska stanica ...) Pored Exi, Exs može i Exp, Exd, Exe, Zona 2 - mala vjerojatnost kratkotrajne pojave eksplozivne koncentracije tijekom normalnih uvjeta eksploatacije (otvoreni prostori na palubi tankera na određenoj udaljenosti od zone 1) Može i Exn, Exo i Exq 3. PRINCIPI PROTUEKSPLOZIJSKE ZAŠTITE KOD Ex IZVEDBI ELEKTRIČNIH UREĐAJA

Oklapanje ugroženog prostora (unutar uređaja) radi lokalizacije eksplozije unutar uređaja (Exd) Ograničenje energije uzročnika paljenja (Exi) Ograničenje temperature uzročnika paljenja uz posebne mjere za smanjenje njegove pojave zbog greške (Exe,

Exn) Izoliranje uzročnika paljenja od eksplozivne smjese krutim tekućim ili plinovitim medijem (Exp, Exq, Exo)

4. Exd - NEPRODORNI OKLOP (flameproof enclosure) Kućište uređaja dozvoljava ulazak eksplozivne smjese ali je tako projektirano da izdrži eksploziju pa ne može doći do paljenja okolnog prostora. Uglavnom se koristi za svjetiljke, elektromotore i sklopke. Izlaz plamena je konstrukcijski spriječen širokim i preciznim spojevima vanjskih dijelova uređaja. 5. Exi - SAMOSIGURNOST (intrinsic safety) Napajanje uređaja je izvedeno s ograničenjem napona i struje tako da niti u slučaju kratkog spoja nema dovoljno energije za stvaranje električnog luka (iskre). Posebni zaštitni modul osigurava svaki strujni krug. Kod prorade zaštite modul se mora zamijeniti. Kabeli moraju biti jasno označeni i polagani odvojeno od drugih kabela s kojima se križaju pod pravim kutom. Uglavnom se koristi za komunikacije, signalizaciju, mjerenje i upravljanje. Exia je sigurnija izvedba koja dozvoljava dvije istovremene greške u sustavu, dok Exib dozvoljava samo jednu grešku. 6. Exp - NADTLAK (pressurisation) U uređaj se dovodi komprimirani plin (zrak ili dušik) tako da je tlak u njemu uvijek malo viši od tlaka u okolnom prostoru. Na taj način eksplozivna smjesa ne može ući u uređaj pa eventualno iskrenje ne može izazvati eksploziju. Uređaj se prije puštanja u pogon mora propuhati kako bi se odstranila eksplozivna smjesa koja se mogla nakupiti dok nije bilo nadtlaka. U slučaju gubitka tlaka aktivira se alarm, a uređaj se isključuje. Uglavnom se koristi za motore, svjetiljke i instrumente. 7. Exe - POVEĆANA SIGURNOST (increased safety) Nema neke posebne zaštite od eksplozije već je izvedba takva da onemogućuje pojavu jakog zagrijavanja, iskrenja ili kratkog spoja, a kućište je otpornije na udarce i prodor tekućine ili stranih tijela. Uglavnom se koristi za elektromotore, svjetiljke i priključne kutije 8. Exn - NEISKREĆA OPREMA (non-sparking) Slično kao Exe uređaji ne stvaraju iskre i nemaju jako zagrijanih površina, ali su zahtjevi općenito mnogo blaži. Uređaji jako nalikuju na standardne izvedbe. 9. OSTALE Ex IZVEDBE Exs - POSEBNE MJERE ZAŠTITE (special protection) Posebno atestirana oprema za konkretnu situaciju. Exq – PUNJENO PRAHOM (powder filled) Eksplozivna smjesa ne može ući jer je uređaj napunjen prahom. Exo – PUNJENO ULJEM (oil immersed) Eksplozivna smjesa ne može ući jer je uređaj napunjen uljem.

17

10. TEMPERATURNA KLASA PROTUEKSPLOZIJSKE OPREME Pored odgovarajuće Ex oznake na uređaju se nalazi i oznaka temperaturne klase. Temperaturna klasa definira najveću moguću temperaturu površine komponenti uređaja u ispravnom stanju ili kod kvara. Pretpostavljena temperatura okoline je 40ºC Temperaturna klasa ne smije biti viša od temperature paljenja eksplozivne smjese koja se očekuje. Najsigurnija je T6 koja jamči da temperatura neće preći 85 ºC, a najslabija T1 kod koje se uređaj može zagrijati i na 450 ºC. Za eksplozivne smjese koje se pale na višim temperaturama to je međutim sasvim dovoljno. T1 do 450ºC T2 do 300ºC T3 do 200ºC T4 do 135ºC T5 do 100ºC T6 do 85ºC 11. GRUPE PLINOVA PROTUEKSPLOZIJSKE OPREME Grupa I (metan) najmanje opasan Grupa IIA (amonijak, ugljični monoksid, propan, butan, metanol, etanol, aceton...) Grupa IIB (etilen, etilen oksid...) Grupa IIC (vodik) najopasniji Oprema s oznakom IIC može se koristiti i za grupe plinova IIA i IIB, a oprema s oznakom IIB i za grupu plinova IIA. Primjer oznake na uređaju: Exia IIC T4 No. BASEEFA Ex 78229X STATIČKI ELEKTRICITET NA BRODU 1. STATIČKI ELEKTRICITET Manifestira se kao napon pojedinih dijelova brodske opreme i ljudi prema masi broda (do cca 4000V). Javlja se na:

ljudima i njihovoj odjeći svim el. izoliranim dijelovima brodske opreme (cijevi za pretakanje, metalni dijelovi položeni na nevodljivu

podlogu... isturenim dijelovima broda kada je u blizini nabijeni oblak.

Nastaje trenjem različitih materijala pri čemu jedan gubi a drugi preuzima elektrone:

strujanjem zraka (vjetar) strujanjem tekućine u cijevima (prekrcaj tereta) influencijom (el. nabijeni oblak privlači suprotne naboje na brodski gromobran)

2. OPASNOSTI OD STATIČKOG ELEKTRICITETA Statički je elektricitet izuzetno opasan u zonama opasnosti od eksplozije jer može uzrokovati iskru a time i zapaljenje eksplozivne smjese. Za ljude je zbog mogućeg udara groma direktno opasan samo atmosferski statički elektricitet. Brodovi imaju gromobransku instalaciju koja štiti cijelu palubu i teret. Statički elektricitet koji se nakuplja na ljudima i dijelovima opreme neugodan je ali nije direktno opasan za ljude jer nema dovoljno energije. 3. MJERE ZA SPRJEČAVANJE NAKUPLJANJA STATIČKOG ELEKTRICITETA

uzemljenje svih vodljivih dijelova uzemljeni metalni opleti na cijevima gromobran

Velika vlažnost zraka omogućuje polagano izbijanje pa se u tim uvjetima statički elektricitet ne nakuplja. 4. GROMOBRAN Gromobran izbija okolnu atmosferu i time sprječava pojavu groma. Ako do groma ipak dođe sposoban je njegovu energiju sigurno provesti do uzemljivača. Štićena zona je oblika stošca s hvataljkom na vrhu i plaštem pod kutom 45º od vertikale. Gromobran se sastoji od:

hvataljke groma odvodnog voda uzemljenja

Hvataljka groma (zašiljena metalna šipka minimalnog promjera 12mm) mora biti postavljena na sve jarbole tako da ih nadvisuje za najmanje 30 cm. Odvodni vod mora biti neprekinut (kvalitetni spojevi zaštićeni od korozije) i ne smije prolaziti kroz zatvorene prostore i zone opasnosti od eksplozije, niti se lomiti pod oštrim kutem. Dok je brod u doku ili na navozu gromobranska instalacija se obavezno mora spojiti s kopnenim uzemljenjem ili s uzemljenjem plovnog doka.

18

PROPISI ZA BRODSKU ELEKTRIČNU OPREMU 1. PROPISI, KONVENCIJE I KLASIFIKACIJSKA DRUŠTVA

SOLAS konvencija s amandmanima (IMO) IEC, IEEE Pravila klasifikacijskih zavoda (HRB, LR, BV. RI, ABS, GL, NV...)

Klasifikacijski zavod kontrolira: projektnu dokumentaciju proizvodnju materijala i uređaja gradnju broda ispitivanje i puštanje u pogon eksploataciju Sva brodska oprema mora imati ATEST odgovarajućeg registra. 2. ZNAČAJ ATESTA Atest garantira da uređaj ili materijal, zadovoljava pravila Registra, što znači da se može sigurno i pouzdano koristiti u brodskim uvjetima eksploatacije koji su specifični zbog:

izoliranosti od kopnene infrastrukture (popravak u uvjetima broda) opasnosti od požara i eksplozije loših klimatskih uvjeta rada pod nagibom (uzdužno do 5° -kratkotrajno do 10°; -bočno do 15° -kratkotrajno do 22,5°) jakih vibracija (glavni motor, pomoćni motori) mogućnost mehaničkih oštećenja (udarci)

Korištenje uređaja bez atesta može ugroziti sigurnost broda, izazvati zadržavanje broda u luci, ili u najmanju ruku stvoriti troškove zbog otkazivanja uređaja koji ne može izdržati uvjete eksploatacije na brodu. 3. KLIMATSKI UVJETI EKSPLOATACIJE BRODSKIH ELEKTRIČNIH UREĐAJA Temperatura: vrlo niske i vrlo visoke temperature

na palubi od -25 do +45ºC u strojarnici do 60ºC

nagle promjene temperature (dan-noć) Vlaga:

visoka relativna vlažnost zraka (do 98% kod 25ºC) kondenzacija na pregradama i oplati (kapanje) kondenzacija unutar kućišta el. strojeva (stradava izolacija) zapljuskivanje morskom vodom uranjanje u vodu

Agresivna atmosfera može oštetiti izolaciju:

ulje gorivo gljivice i plijesan sol i vlaga pojačavaju koroziju i slabljenje izolacije

4. STUPANJ MEHANIČKE ZAŠTITE ELEKTRIČNIH UREĐAJA IP Pokazuje otpornost električnog uređaja na vodu i krute predmete. Prvi broj pokazuje mehaničku zaštitu a drugi zaštitu od vode. Veći broj znači viši stupanj zaštite. Mehanička zaštita od krutih predmeta (prvi broj): 0 bez zaštite 1 > 50 mm (šaka) 2 > 8 mm (prst) 3 > 2,5 mm (alati) 4 > 1 mm (žica) 5 zaštita od štetnog taloženja prašine 6 potpuna mehanička zaštita Zaštita od vode (drugi broj): 0 bez zaštite

19

1 od vertikalnog kapanja 2 od vertikalnog kapanja kod nagiba do 15º 3 od prskanja do 60º od vertikale 4 od štrcanja iz svih smjerova 5 od štrcanja u mlazu iz svih smjerova 6 od zapljuskivanja mora i jakih mlazova 7 od uranjanja do 1m dubine do 30 minuta 8 moguć trajni rad pod vodom Primjer: IP 20 za rasvjetu u stambenim suhim prostorima IP 68 za uronjene pumpe 5. ELEKTROMAGNETSKE SMETNJE EMI – Elektromagnetska interferencija je svaka elektromagnetska smetnja koja može poremetiti rad električnih (elektroničkih) uređaja Izvori: iskrenje (istosmjerni elektromotori, sklopke...) atmosferska pražnjenja (gromovi) nagle promjene napona i struje (uključivanje i isključivanje uređaja) energetska elektronika (nesinusoidalna struja-harmonici, propadi...) odašiljači (radio stanica, mobilna telefonija...) Širenje elektromagnetskih smetnji: vodičima (mrežom) zračenjem Mjere zaštite: udaljavanje (osjetljivih instalacija od izvora smetnji) oklapanje (izvora smetnji ili osjetljivih uređaja/instalacija) prigušivanje filtriranje Izjava o elektromagnetska kompatibilnost (EMC) uređaja potvrđuje da je izrađen u skladu s propisima te da nema štetnog utjecaja na druge uređaje. ELEKTRIČNA PROPULZIJA 1. PTO/PTI I POMOĆNA PROPULZIJA PTO (Power take off) je klasičan osovinski generator koji uzima mehaničku energiju s osovine i pretvara je u električnu. PTO/PTI je osovinski generator koji može raditi i kao motor te tako brodskom vijku po potrebi dodavati energiju proizvedenu u brodskoj električnoj centrali. Koristi se za pomoćnu propulziju (take me home) i/ili povećanje brzine broda. Električna energija dobivena u električnoj centrali iz dizel generatora koristi se dakle za poriv broda. 2. IZVEDBE SUSTAVA ELEKTRIČNE PROPULZIJE Pod električnom propulzijom se uobičajeno podrazumijeva elektromotorni pogon brodskog vijka. Preciznije se dijeli na:

potpuno električnu propulziju (podmornice, turističke eko-brodice) propulziju s električnim prijenosom (dizel-električna, turbo-električna (plinske i parne turbine))

3. POTPUNO INTEGRIRANI ELEKTROENERGETSKI SUSTAV Danas gotovo isključivo koristi koncepcija potpuno integriranog elektroenergetskog sustava (IFEP - Integrated Full Electric Ship). To znači da postoji samo jedan elektroenergetski sustav koji ima konstantnu frekvenciju i napon mreže, a pokriva električnu propulziju ali i svu ostalu potrošnju električne energije na brodu. Postoje dvije izvedbe. Pretežno se koristi 1. izvedba s brodskim vijkom s fiksnim krilima (FPP) uz regulaciju broja okretaja propulzijskih elektromotora

pomoću statičkih pretvarača frekvencije, i rjeđe korištena 2. izvedba s brodskim vijkom s prekretnim krilima CPP uz konstantan broj okretaja propulzijskog elektromotora

20

Primjer konfiguracije objedinjenog brodskog elektroenergetskog sustava s potpuno integriranim sustavom propulzije 3. PROPULZIJSKI PRETVARAČI FREKVENCIJE Propulzijski pretvarači frekvencije su uređaji energetske elektronike koji omogućuju kontinuiranu regulaciju frekvencije i napona za napajanje propulzijskih elektromotora i na taj način regulaciju njihovog broja okretaja. Danas su u upotrebi četiri vrste propulzijskih pretvarača frekvencije: ciklokonverter, sinkrokonverter, širinsko impulsno moduluirani (PWM) pretvarač s diodnim ispravljačem i širinsko impulsno moduluirani pretvarač s aktivnim mrežnim mostom. Razlike između pretvarača u pogledu manevarskih svojstava su zanemarive. S druge strane svi pretvarači frekvencije kvare kvalitetu napona brodske mreže i tako utječu na rad svih brodskih električnih uređaja (ciklokonverter je najgori jer se njegovi harmonici ne mogu filtrirati, a sinkrokonverter zahtijeva snažne harmoničke filtre od kojih barem jedan mora biti stalno uključen. Posebno je teško kada se vozi sa samo pola motora (Half motor operation) jer su tada izobličenja mrežnog napona mnogo veća. PWM s aktivnim ispravljučem se danas smatra najboljim rješenjem. 4. PREDNOSTI ELEKTRIČNE PROPULZIJE povećanje i povoljniji raspored korisnog brodskog prostora mnogo bolje manevarske sposobnosti manja potrošnja goriva velika snaga centrale za napajanje ostalih tehnoloških sustava visoka raspoloživost poriva prijenos vrlo velike snage na brodski vijak manja emisija štetnih plinova manja buka i vibracije jednostavna redukcija broja okretaja i reverziranje poriva 5. SMANJENJE POTROŠNJE GORIVA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE Iako ima ukupno 8-12% gubitaka energije u konverziji i prijenosu u odnosu na 2-4% kod direktne mehaničke propulzije (vidi sliku) električna propulzija ipak štedi gorivo jer omogućuje:

rad pogonskih strojeva s konstantnim okretajima u području oko optimalnog opterećenja kod svih brzina broda (postiže se uključivanjem odgovarajućeg broja agregata, kako je to prikazano na dijagramu ovisnosti specifične potrošnje goriva o opterećenju dizel motora)

veći hidro-dimanički stupanj korisnosti zbog: povoljniji položaj vijka povoljniji nagib vijka veći promjer vijka primjena podtrupnih porivnika (POD, AZIPOD)

21

175

180

185

190

195

200

205

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

g/kWhelektrična propulzija (4 dizel-generatora i 2 podtrupna potisnika)

direktna dizel-mehanička propulzija (2 dizel-motora i 2 vijka) dizel-mehanička propulzija (4 dizel-motora, 2 reduktora i 2 vijka)

6. POVEĆANJE KORISNOG BRODSKOG PROSTORA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE

smanjenjem strojarnice korištenjem bržih dizel-motora i plinskih turbina za pogon generatora umjesto sporohodnih motora za direktnu dizel-mehaničku propulziju

povoljnijim smještajem pogonskih strojeva unutar jedne ili više proizvoljno raspoređenih manjih strojarnica zahvaljujući potpunoj slobodi koju daje električni prijenos snage.

7. POVEĆANJE MANEVARSKIH SVOJSTAVA BRODA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE

momentne karakteristike s konstantnim maksimalnim momentom

manje zamašne mase izložene promjeni brzine kod dinamičkih promjena

rad pogonskih strojeva s konstantnim brojem okretaja jednostavno povezivanje u sustav dinamičkog

pozicioniranja jednostavna instalacija snažnih pramčanih i krmenih

bočnih porivnika Zakretni podtrupni porivnici (AZIPOD) imaju dodatne prednosti:

sposobnost zakretanja ravnine vijka manje zamašne mase veliki krmeni bočni poriv bez krmenih bočnih porivnika znatno manji radijus okretanja pri punoj brzini (40% manji) kraći zaustavni put broda (45% kraći)

8. EKOLOŠKE PREDNOSTI ELEKTRIČNE PROPULZIJE

smanjenje potrošnje goriva smanjenje emisije štetnih plinova smanjenje buke i vibracija povećanje sigurnosti broda izbjegavanje sidrenja produljenje eksploatacijskog vijeka broda.

9. SMANJENJE BUKE I VIBRACIJA PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE

korištenje manjih srednjohodnih ili brzohodnih dizel-motora i plinskih turbina povoljniji smještaj dizel-motora

22

eliminaciju reduktora smanjenje torzijskih vibracija na brodskom vijku zbog mirnog rada propulzijskog elektromotora.

Dodatno smanjenje buke i vibracija primjenom podtrupnih porivnika: eliminacija dugačkih osovinskih vodova povećanje razmaka između oboda vijka i trupa.

10. POVEĆANJE SIGURNOSTI PRIMJENOM ELEKTRIČNE PROPULZIJE Električna propulzija povećava sigurnost broda kroz:

visok stupanj raspoloživosti pogona broda (otkazivanje jedne pa i više komponenti u sustavu ne ostavlja brod bez pogona već se samo smanjuje snaga propulzije) Na slici se vide 4 paralelna propulzijska lanca, mogućnost razdvajanja sabirnica i veći broj dizel-generatora. Pokvari li se neka od komponenti (transformator-pretvarač frekvencije- pola motora) preostali lanci, ostaju u radu. Ako izgori jedna strojarnica i dalje rade oba motora s pola snage.

bolja manevarska svojstva manju opasnost od požara širih razmjera (više odvojenih strojarnica)

AUTOMATIKA 1. KLASE AUTOMATIZACIJE BRODSKE STROJARNICE AUT1 (UMS) – Oznaka za nenadgledanu strojarnicu što znači da automatika osigurava automatski rad brodske strojarnice bez čovjeka u strojarnici i upravljačkoj prostoriji strojarnice (bez straže). Cijeli proces mora biti potpuno automatiziran i obuhvaća sustave:

automatskog upravljanja glavnim motorom nadzora i alarma automatike elektroenergetskog sustava detekcije požara automatike pomoćnih strojeva i kotlova

U slučaju otkazivanja sustava ili izlaženja kontroliranih veličina izvan dozvoljenih granica oglašava se alarm u kabinama, na mostu i u zajedničkim prostorijama. Po potrebi se automatski uključuju u rad rezervni sustavi (st.by). Postoji automatska kontrola ispravnosti sustava upravljanja, zaštite i alarma pogonskih strojeva, kao i vatrodojavnog i kaljužnog sustava. Ako brod zbog kvara izgubi klasu AUT1 mora zadovoljavati klasu AUT2. AUT2 – Oznaka za daljinsko upravljanje iz upravljačke prostorije (obvezatna straža). Osim svih potrebnih upravljačkih komandi potrebno je osigurati i očitavanje potrebnih mjerenja zbog informacija o stanju procesa kao i alarmni sustav. Mora biti osigurano pouzdano prebacivanje s automatskog na ručno upravljanje a ono mora funkcionirati bez obzira na neispravnost daljinskog i automatskog upravljanja. AUT3 – Oznaka za automatsko daljinsko upravljanje s mosta (najčešće nema upravljačke prostorije). Primjenjuje se za manje plovne jedinice, u pravilu do 1500kW, koje imaju esencijalne pumpe privješene na glavni motor, jednostavnu električnu centralu, bolju instrumentacija na mostu i malu udaljenost između strojarnice i mosta). Svi uređaji u strojarnici su predviđeni za rad bez nadzora. Predviđena su kratkotrajna posluživanja u intervalima ne kraćim od 12 sati. 2. VRSTE AUTOMATIKE PREMA POGONSKOJ ENERGIJI Električna automatika (jeftina, jednostavna ugradnja, rukovanje i održavanje, osjetljiva na vlagu i elektromagnetske smetnje, opasnost od eksplozije) može biti analogna i digitalna. Analogna pretvara mjerene veličine u istosmjernu električnu struju ili napon koji su po veličini proporcionalni mjerenoj vrijednosti. Digitalna elektronika mjerenu veličinu ne mjeri kontinuirano već u određenim vremenskim intervalima (što kraćim to bolje) i pretvara je u diskretne numeričke vrijednosti prikazane u binarnom obliku. Digitalna automatika je otpornija na elektromagnetske smetnje od analogne, a u slučaju prijenosa informacija optičkim kabelima i potpuno imuna.

GD

MG

DM

G

DM

G

DM

Y

?

?

?

~~

~~

M

Y

?

?

?

~~

~~

M

23

Pneumatska automatika (skupa, komplicirana ugradnja i održavanje, otporna na smetnje i vlagu – ali ne ako vlaga uđe u sistem) Još uvijek se često koristi u zoni 0 opasnosti od eksplozije. Hidraulička automatika (skupa, komplicirana ugradnja i održavanje, otporna na vlagu i smetnje, velika snaga, ) 3. DALJINSKO UPRAVLJANJE, MJERENJE I SIGNALIZACIJA Daljinsko upravljanje omogućuje posadi da direktno upravlja brodskim procesima s jednog ili više udaljenih mjesta. Npr. Upravljanje glavnim motorom iz upravljačke prostorije i s mosta. Da bi se moglo daljinski upravljati potrebne su i informacije o procesima kojima se upravlja odnosno daljinsko mjerenje i signalizacija. Veliki broj ugrađenih senzora raspoređenih po cijelom brodu daje informacije koje se na upravljačkim mjestima mogu očitati kao pokazivanja instrumenata ili svjetlost žaruljica. Daljinsko upravljanje je izuzetno značajno za sigurnost broda i mora funkcionirati brzo i bez ograničenja. Suvremeni sustavi automatskog daljinskog upravljanja filtriraju komande i izvršavaju samo one koje su usklađene sa stanjem i mogućnostima sustava kojim se upravlja, te na taj način štite sustav od pogreške ili nesavjesnog rukovanja. Npr. upravljanje glavnim motorom je ograničeno limitima temperature i momenta, pa se hladni motor ne može odmah maksimalno opteretiti jer to automatika ne dozvoljava. Bez obzira što je dana komanda svom snagom naprijed, automatika pomalo dozira gorivo sve dok se motor polako ne zagrije na temperaturu kod koje može bez opasnosti razviti punu snagu. Časnik na mostu može u svakom trenutku preći na direktno daljinsko upravljanje bez ograničenja pritiskom na „Emergency Run“ odnosno „Crash Manoeuvre“. 4. AUTOMATSKI NADZOR Dok se pod daljinskim mjerenjem uglavnom podrazumijeva očitavanje izmjerenih veličina na instrumentima postavljenim na udaljenim mjestima, kod automatskog nadzora je riječ o računalnom sustavu koji sakuplja, obrađuje i pregledno (uglavnom na monitoru) prezentira sve informacije dobivene od senzora. Nadzorni sustav ima i funkciju registracije vrijednosti i događaja. Sustav automatskog nadzora može biti centraliziran (svi signalni kabeli se od senzora vuku do upravljačke prostorije i priključuju na jedno računalo), distribuiran (podsustavi koji bi trebali biti raspoređeni po strojarnici, ali su vrlo često opet smješteni u upravljačku prostoriju, sakupljaju informacije o određenim procesima ili grupama procesa i zatim podatke transferiraju centralnoj upravljačko-nadzornoj jedinici). Danas se sve više koriste digitalni inteligentni senzori koji sami signal digitaliziraju te ga preko računalne mreže s električnim ili optičkim komunikacijskim kabelima prosljeđuju nadzornom i alarmnom sustavu. 5. ALARMNI SUSTAV Svrha alarmnog sustava je da upozori posadu kada se neki od brodskih procesa više ne odvija u granicama dozvoljenih parametara (npr. previsoka temperatura rashladne vode, preopterećenje kormila, pregorijevanje žarulje navigacijskog svjetla ...) ili je iz nekih drugih razloga došlo do opasnosti za brod, teret ili posadu (opasnost od sudara, požar, prodor vode...). Vrijednosti kod kojih će se javiti neki alarm podešene su tako da se alarm javi prije nego kontrolirana veličina dođe do vrijednosti na kojoj proradi zaštita. Alarmi mogu biti podešeni na nisku vrijednost (donju granicu), visoku vrijednost (gornju granicu) ili na nisku i visoku vrijednost. Mnogi alarmi imaju namješteno vremensko kašnjenje koje privremeno blokira alarm i ako se kontrolirana vrijednost vrati u granice normale onda se alarm uopće ne aktivira (npr. prilikom ljuljanja broda očitanja nivoa u tankovima se neprestano mijenjaju i pokazuju čas previsoku a čas prenisku vrijednost, ali se brzo vraćaju u normalu). Alarmi se najčešće aktiviraju prekidačkim osjetnicima (ON-OFF), a sustav u pravilu funkcionira tako da se alarmi aktiviraju kad dođe do prekida kontakta odnosno strujnog kruga. Na taj način se ujedno neprekidno kontrolira i ispravnost strujnog kruga alarma, jer bi svaki prekid u strujnom krugu prouzročio alarm i tako upozorio posadu da provjeri najprije stanje mjerene veličine a zatim i ispravnost strujnog kruga aktiviranog alarma. Alternativno se može koristiti aktiviranje kontakta kod zatvaranja kontakta na senzoru, ali su u tom slučaju kontakti na senzoru prespojeni otpornikom kroz kojeg stalno teče mala struja kojom se kontrolira ispravnost strujnog kruga. 6. ZAŠTITE Zaštite štite brodske uređaje i sustave u situacijama kada kontrolni parametri pokazuju da su isti u neposrednoj opasnosti od prekomjernog trošenja ili havarije. Npr. ako je pritisak ulja za podmazivanje motora prenizak jasno je da će ubrzo doći do zaribavanja i ogromne štete pa se motor mora odmah isključiti. Na brodskim sustavima senzori aktiviraju zaštite zatvaranjem kontakata, kako prekid strujnog kruga ne bi bezrazložno isključio uređaj. Prorada zaštite ne može dakle biti pogrešna ili upozoravajuća kao što je to riječ kod prorade alarma već uvijek nastupa kao jedina mogućnost za spašavanje uređaja od havarije. Kada je riječ o glavnom motoru časnik na mostu može u svakom trenutku premostiti (anulirati, blokirati proradu) zaštite i ograničenja daljinskog upravljanja kako bi u slučaju potrebe mogao dobiti maksimalne raspoložive mogućnosti stroja imajući na umu da ga tako može u vrlo kratkom vremenu ozbiljno oštetiti. Ovu odluku (Emergency Run, Crash Manoeuvre) automatika unosi u zapisnik (log) koji nije moguće izmijeniti, a koristi se kod utvrđivanja odgovornosti za havariju stroja. 7. AUTOMATSKO UPRAVLJANJE Automatsko upravljanje je kontrola procesa u otvorenom krugu što znači da automatski uređaj koji vrši upravljanje ne dobiva povratnu informaciju o parametru na koji posredno djeluje (izlazna veličina). Primjenjuje se u procesima kod kojih je moguće dovoljno točno predvidjeti ponašanje sustava kojim se upravlja. Npr. automatski zvijezda-trokut uputnik asinkronog motora, nakon što je od uključivanja motora u spoju zvijezda prošlo određeno podešeno vrijeme, prespaja motor u trokut bez ikakve informacije o tome da li je zalet u zvijezdi završen. Podešeno vrijeme je naravno dovoljno dugo za zalet u zvijezdi ako je elektromotorni pogon ispravan i opterećen u granicama normale.

AUTOMATSKIUREÐAJ

PROCES

24

8. AUTOMATSKA REGULACIJA Automatska regulacija je kontrola procesa u zatvorenom krugu što znači da automatski uređaj koji vrši upravljanje dobiva povratnu informaciju o parametru na koji posredno djeluje (izlazna veličina). Primjenjuje se u procesima kod kojih nije moguće dovoljno točno predvidjeti ponašanje sustava kojim se upravlja. Npr. autopilot dobiva od giro-kompasa podatak o kursu broda i uspoređuje ga sa zadanom veličinom (željenim kursom) određuje odstupanje i zatim djeluje na zakretanje lista kormila radi korekcije kursa. 9. REGULACIJSKI KRUG Regulacijski krug se sastoji od: regulatora, postavnog pogona, izvršnog člana, objekta regulacije (procesa) i osjetnika (senzora). Osjetnik mjeri vrijednost regulirane veličine (npr. temperature rashladne vode) i pretvara je u određenu vrijednost (napon, struja, pritisak) medija na kojem je zasnovana regulacija. Ta se vrijednost dovodi u regulator pa se u njemu najprije u sumatoru uspoređuje s referentnom vrijednosti (željena vrijednost temperature). Dobiveni signal razlike dolazi na PID član koji ga obrađuje uzimajući u obzir veličinu odstupanja od reference i brzinu kojom se odstupanje povećava. Dobiveni signal se pojačava u pojačalu, izlazi iz regulatora i dovodi se na postavni pogon (elektromotorni, pneumatski ili hidraulički pogon ventila) koji pomiče izvršni član (zakreće ventil) i na taj način utječe na proces (omjer miješanja ohlađene i neohlađene vode) zbog čega se regulirana veličina promijeni, pa se mijenja i povratna veza a regulator dobiva nove podatke.

POSTAVNIPOGON

PROCES

negativna povratna veza

reguliranaveličina

REGULATOR

OSJETNIK(SENZOR)

poremećaj

pojačaloPID člansumatorreferentna

vrijednost IZVRŠNIČLAN+

-

,10. VRSTE REGULACIJE stabilizacijska (regulator održava konstantnu vrijednost regulirane veličine, npr. temperature vode, usprkos

poremećajima ) slijedna (referentna vrijednost se stalno mijenja i regulator nastoji u što kraćem vremenu dovesti reguliranu veličinu na

referentnu vrijednost npr. kod kormilarenja čovjek ili autopilot zadaju otklon kormila, a slijedni regulacijski krug kontrolira približavanje kormila zadanom položaju kako bi ga što prije zauzelo)

programska (regulirana veličina se mora mijenjati prema unaprijed utvrđenom programu (npr. proces hlađenja ili odmrzavanja tereta)

adaptivna regulacija podrazumijeva primjenu elektroničkog računala koje automatski korigira postavke regulatora kako bi se u promjenljivim okolnostima postigla što kvalitetnija regulacija (npr. dinamičko pozicioniranje broda u različitim vremenskim uvjetima).

11. POKAZATELJI KVALITETE REGULACIJE Točnost regulacije definirana je statičkom greškom a odnosi se na odstupanje regulirane veličine od referentne

vrijednosti u stacionarnom stanju (kada dulje vrijeme nema nikakvih promjena ni poremećaja) Brzina odziva pokazuje koliko je vremena potrebno da se regulirana veličina nakon poremećaja vrati u zadane okvire. Stabilnost regulacijskog kruga pokazuje da li će se nakon poremećaja regulirana veličina smiriti (stabilan sustav),

nastaviti oscilirati oko referentne vrijednosti ne povećavajući amplitudu (sustav na granici stabilnosti) ili će oscilirati sa sve većom amplitudom dok ne prorade zaštite ili dođe do oštećenja sustava (nestabilan sustav).

12. PID ČLAN PID (Proporcionalno-Integrabilno- Derivacijski) član je najvažniji dio regulatora, tako da i regulatori dobivaju ime po njegovom podešenju odnosno izvedbi. P-regulator ima samo proporcionalno (P) djelovanje što znači da je izlazni signal proporcionalan signalu razlike (odstupanju od referentne vrijednosti). Osnovni nedostatak je što takav regulator nikada, pa niti u stacionarnim uvjetima, ne ostvaruje referentnu vrijednost odnosno nedostaje mu točnosti. PI-regulator pored proporcionalnog djelovanja ima i integracijsko (I) koje pojačava izlazni signal iz regulatora zavisno od brzine kojom se mijenja regulirana veličina. Što je promjena sporija to je pojačanje signala razlike veće, pa se u stacionarnom stanju i sasvim malo odstupanje od referentne veličine snažno pojačava omogućujući regulatoru da i tada djeluje i postigne referentnu veličinu.Integracijsko djelovanje daje regulatoru točnost, odnosno eliminira statičku grešku. Kod velikih brzina promjene signala razlike integracijsko djelovanje nije aktivno pa se regulator ponaša samo u skladu s P djelovanjem odnosno kao P-regulator. PD-regulator se koristi u regulacijskim krugovima kod kojih nije važna točnost regulacije ali je izuzetno važna brzina odziva odnosno njenog djelovanja. Derivacijsko djelovanje (D) je suprotno od integracijskog, jer ne djeluje kod sasvim sporih promjena, a kod vrlo brzih promjena signala razlike daje veliko pojačanje kako bi regulator što prije reagirao i spriječio pojavu velikog odstupanja od referentne vrijednosti kod npr. naglog poremećaja. PID- regulator objedinjuje prednosti PI i PD regulatora i prema tome daje veliku točnost i veliku brzinu odziva. Podešenje PID- člana ima presudan utjecaj na stabilnost regulacijskog sustava. Pojačavanjem P, I i D djelovanja postiže se bolja kvaliteta regulacije, ali se istovremeno sustav približava nestabilnosti. Pri tome je najopasnije derivacijsko, pa integracijsko i konačno najmanje opasno je proporcionalno djelovanje.

AUTOMATSKIUREÐAJ

PROCES

povratna veza

reguliranavelicina