2.3. Уровни частоты

Частота напряжения в СЭЭС отечественных судов принята равной 50 Гц. На судах где массогабаритные показатели являются решающими (суда с динамическими принципами поддержания) применяется 400 Гц.

Рассмотрим влияние повышения частоты на массогабаритные показатели ЭО.

Отметим вначале положительные стороны повышения частоты в СЭЭС:

1. Снижаются массогабаритные показатели генераторных агрегатов (ГА). Данное утверждение иллюстрируют параметры, представленные в табл. 2.2, и рис. 2.1.

Таблица 2.2.

Тип ГА	Мощность (кВт)	Вариант исполнения	f, (Гц)	n, (об/мин)	Масса, (т)
ТГ	3000	безредукторный	50	3000	25,5
		редукторный	50	10000	21,5
		безредукторный	400	8000	10,8

Рис. 2.1. Внешний вид и габаритные показатели ГА разного исполнения

Причиной этого являются:

• исключение редуктора при сочленении ПД и СГ. Частота вращения связана с электрической частотой следующим соотношением

где n – частота вращения первичного двигателя (об/мин), f – частота сети (Гц), p – число пар полюсов. Для сетей с частотой 50 Гц она составляет 3000 об/мин, а для сетей с частотой 400 Гц – 24000 об/мин, что позволяет при стыковке СГ с первичными высокоскоростными двигателями (ПД) исключить редуктор, а, следовательно, уменьшить вес ГА;

• улучшение показателей ПД;

• улучшение показателей самого генератора. Так генератор мощностью 50 кВт выполненный на 50 Гц и частоту вращения 1500 об/мин весит 600 кг, а генератор такой же мощности на 400 Гц и частоту вращения 12000 об/мин – 150 кг (рис. 2.2). Обычно, при оценке массогабаритных показателей генераторов полагают, что в заданном объеме .

Рис. 2.2. Внешний вид генераторов мощностью 50 кВт на 50 Гц и 400 Гц

2. Повышенная частота позволяет увеличить частоту вращения механизмов и электроприводов в 2…3 раза, что приводит к существенному уменьшению габаритов и массы агрегатов двигатель – механизм. Так переход от частоты вращения 3000 об/мин к частоте вращения 8000 об/мин дает снижение массы АД в 2,5…3,5 раза и габаритов в 2,5 раза (рис.2.3).

Рис. 2.3. Внешний вид АД мощностью 3,2 кВт на 50 Гц с частотой вращения

3000 Об/мин, и на 400 Гц, с частотой вращения 8000 об/мин

3. Улучшаются массогабаритные показатели трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей. Убедимся в этом с помощью простых соотношений.

По закону электромагнитной индукции Фарадея где Ψ – потокосцепление, Ф – поток, W – число витков, е – э.д.с. Полагая U=E и U=U_msin(ωt), а следовательно и Ф=Ф_msin(ωt) получим:

, учитывая, что соs(ωt)=- sin(ωt-π/2), е=ωФ_mWsin(ωt-π/2),

Е_m =2πfФ_mW, а , где В – индукция, S – сечение.

Таким образом, если Е₄₀₀= Е_50, то .

Реальное преимущество рассматриваемых видов оборудования на 400 Гц ниже. Это связано с тем, что магнитопроводы изготавливают из электропроводящего материала, в котором под действием переменного магнитного поля возникают микротоки – токи Фуко или вихревые токи. Электрическое сопротивление стали мало, а значит, вихревые токи могут достигать большого значения, что приводит к разогреву магнитопровода - потери в стали оценивают пропорциональными f^1,3…1,5. Поэтому для сохранения теплового баланса в высокочастотном оборудовании снижают индукцию В_{m 400} < В_{m 50}, плотность тока и стальные сердечники набирают из более тонких пластин: 50 Гц - толщина пластин 0,35 мм, 400 Гц – 0,08 мм. Сравнение существующего оборудования показывает, что в заданном объеме трансформатора .

4. Сокращается время переходных процессов. Рассмотрим это более подробно.

При увеличении частоты с 50 до 400 Гц и одновременном увеличении частоты вращения при той же мощности размеры генератора, периметр витка обмотки статора и число витков уменьшаются.

Постоянная времени обмотки равна . Выразим индуктивность через конструктивные параметры машины:

по закону полного тока ;

тогда в свою очередь , отсюда

, в представленных выражениях использованы следующие обозначения: Н – напряженность поля; μ – магнитная проницаемость; μ₀= 4π10^-7 (Гн/м); λ – магнитная проводимость.

Проводимость, при прочих равных условиях, уменьшается пропорционально периметру витка. Активное сопротивление R уменьшается пропорционально уменьшению числа витков и уменьшению их периметра. Таким образом, постоянные времени уменьшаются приблизительно пропорционально уменьшению числа витков.

Следует отметить, что индуктивные сопротивления обмотки, определяемые , увеличиваются. Это происходит из-за того, что число витков обмотки статора уменьшается не прямо пропорционально увеличению частоты.

К недостаткам применения высокой частоты следует отнести:

1. Отсутствие унификации с береговой сетью;

2. Отсутствие серийного оборудования;

3. Увеличение потерь в кабелях.

Кабель имеет активное R и индуктивное Х сопротивления. Рассмотрим характер и причины их изменения при повышении частоты:

1. При прохождении переменного тока по проводнику в нем, из-за скин-эффекта и эффекта близости, происходит вытеснение тока к поверхности. Чем выше частота и чем толще проводник тем в большей степени проявляется неравномерность распределения тока по сечению проводника. Это приводит к уменьшению полезного сечения проводника и как следствие – увеличению сопротивления и потерь в нем. Для учета этого явления используется следующая эмпирическая формула: , где R_~ - активное сопротивление кабеля на переменном токе; R_- - активное сопротивление кабеля на постоянном токе; к - коэффициент пропорциональности.

Значение коэффициента пропорциональности зависит от частоты тока и количества жил в кабеле:

- 50 Гц к=1;

- 400 Гц: количество жил – 1 к=1, 25; количество жил 2,3 к=1, 45.

2. Х= ωL, т.е. Х₄₀₀=8·Х₅₀.