Номинальные значения частоты в сээс

Ниже приняты следующие условные буквенные обозначения:

СГ – синхронный генератор,

СЭЭС – судовая электроэнергетическая система,

ЭС – электрическая станция,

ЭЭС – электроэнергетическая система.

Историческая справка. В настоящее время в мире существуют два номинальных значения частоты для береговых электроэнергетических систем: 50 Гц и 60 Гц. В первых электрических установках частота была, как правило, несколько ниже этих значений. Так, в начале прошлого века в российском военно-морском флоте начали широко применяться установки переменного тока с частотой 37,5 Гц. При использовании коллекторных двигателей переменного тока, с целью улучшения условий коммутации тока между секциями обмоток якоря, подключённых к коллекторным пластинам, применяли пониженное значение частоты. Например, в Германии на электрическом железнодорожном транспорте использовалась частота Гц. (Чтобы избежать капитальных затрат на замену преобразователей и силовых трансформаторов это значение частоты используется на электрифицированных железных дорогах Германии и теперь.)

К середине прошлого века началось использование токов с частотой 200 Гц (ручной электроинструмент, электропилы для лесоразработок, станки для деревообработки и т.д.). В авиационных ЭЭС основной стала частота 400 Гц. На кораблях и судах получили широкое применение электронавигационное оборудование (гирокомпасы, лаги и эхолоты), радиосвязь и радиолокация, сложные электромеханические системы управления с большим количеством магнитных усилителей, сельсинов, вращающихся трансформаторов, серводвигателей и т.п., а также люминесцентное освещение. Все эти потребители стали питать от источников повышенной частоты, преимущественно 400 Гц. В качестве указанных источников использовали электромеханические, а затем полупроводниковые преобразователи. После второй мировой войны предпринимались попытки, чтобы в качестве основной частоты корабельных СЭЭС использовать повышенную частоту – 400 Гц (в США – экспериментальный эсминец «Тиммерман»). При этом на ЭС устанавливались СГ мощностью до 600 кВт с частотой вращения 12000 об/мин. Многочисленные и частые отказы электрооборудования (особенно электроприводов) на 400 Гц, а также проблемы, связанные с увеличением сопротивления кабелей и ростом их общей массы, заставили отказаться от этой идеи. В настоящее время ЭС с частотой 400 Гц применяют на относительно небольших судах, преимущественно с нетрадиционными способами удержания на водной поверхности: на подводных крыльях, на воздушной подушке и др. На крупных кораблях и судах ЭС используют традиционную промышленную частоту: 50 Гц или 60 Гц. Но достаточно большая часть потребителей электроэнергии¸ из числа перечисленных выше (электронавигационное оборудование, радиосвязь и радиолокация, системы автоматического управления, люминесцентное освещение и др.) получает питание от преобразователей с выходной частотой 400 Гц. Иногда при этом в качестве источника тока повышенной частоты применяют генераторные агрегаты.

Такой, достаточно сложный, путь поиска оптимального значения основной частоты СЭЭС определяется тем, что использование повышенной частоты приводит как к положительным, так и к отрицательным последствиям.

Основные положительные последствия – это снижение массы электрических машин, трансформаторов, реакторов, электрических аппаратов и конденсаторов.

Основные отрицательные последствия – это снижение надёжности работы электроприводов и другого электрооборудования, а также увеличение массы кабельной сети.

Рассмотрим причины и количественные оценки этих последствий применительно к отдельным разновидностям судового электрооборудования.

Электрические машины. Связь между расчётной мощностью машины S_p, её главными размерами (D – внутренний диаметр сердечника якоря, м; – расчётная длина машины, которая близка к длине сердечника якоря, м) и электромагнитными нагрузками ( – индукция в воздушном зазоре, Тл; A – линейная токовая нагрузка, А/м) выражается с помощью машинной постоянной Арнольда – C_A., м³/Дж:

(1)

(2)

Здесь использованы следующие обозначения: Ω – угловая скорость магнитного поля (синхронная угловая скорость), – угловая (круговая) частота переменного тока, f – частота напряжения статора, p – число пар полюсов, – коэффициент полюсного перекрытия, k_B – коэффициент формы кривой индукции, k_w – обмоточный коэффициент.

Удельные (приходящиеся на 1 кг сердечника статора) потери в стали пропорциональны произведению на частоту f в степени 1,3 – 1,5. Для повышенной частоты при сохранении условий охлаждения используют более тонкую высоколегированную сталь с уменьшенными потерями на вихревые токи и гистерезис и снижают значение , чтобы не допускать излишнего перегрева стали статора. (Для двигателей с частотой 400 Гц значение снижается примерно в два раза по сравнению с двигателями с частотой 50 Гц.). При этом машинная постоянная Арнольда, как следует из выражения (2), увеличивается. Если сохранить синхронную угловую скорость Ω, увеличив число пар полюсов пропорционально росту частоты f, то произведение возрастёт. Однако полные размеры и масса электрической машины могут даже снизиться. Такой результат объясняется тем, что из-за уменьшения магнитного потока, приходящегося на полюсное деление, при увеличении числа полюсов уменьшаются высота ярма и наружный диаметр сердечника статора D_a. Если же число пар полюсов увеличить в меньшей мере, чем частоту, то синхронная угловая скорость Ω возрастёт. При этом произведение , размеры и масса электрической машины уменьшатся. В основном, именно благодаря такому результату и переходят от частоты 50 Гц на частоту в восемь раз большую, на 400 Гц. При неизменных значениях расчётной мощности, и числа пар полюсов при переходе от 50 Гц к 400 Гц масса электрической машины снизилась бы в восемь раз. Реальное уменьшение массы при повышении частоты значительно меньше из-за снижения , что видно по данным таблицы 1. (Здесь при переходе от частоты 60 Гц к частоте 400 Гц число пар полюсов даже снижено: с p = 3 до p = 2.) В этой таблице приняты следующие обозначения: P – мощность, n – частота вращения, L – длина генератора, G – его масса. Частота вращения увеличилась в 10 раз, что больше отношения частот (400 / 60 = 6,7 раза), а масса генератора уменьшилась в значительно меньшей мере – в 3,5 раза.

Таблица 1

Показатели синхронных турбогенераторов фирмы «Вестингауз»

P, кВт	f = 60 Гц			f = 400 Гц
	n, об/мин	L, мм	G, кг	n, об/мин	L, мм	G, кг
600	1200	1480	3315	12000	680	945

В таблице 2 приведены расчётные параметры асинхронных короткозамкнутых двигателей, выполненных при частоте 50 Гц на 3000 об/мин и при частоте 400 Гц для ряда частот вращения n: 3000 об/мин, 6000 об/мин и 8000 об/мин.

Таблица 2

Показатели асинхронных короткозамкнутых двигателей

P, кВт	Масса G, кг				Относительное значение массы KG
	f =50 Гц	f =400 Гц			f =400 Гц
	3000 об/мин	3000 об/мин	6000 об/мин	8000 об/мин	3000 об/мин	6000 об/мин	8000 об/мин
1	17	19,5	13,2	9,7	1,15	0,78	0,57
2,8	34	24,6	17,5	14,5	0,72	0,51	0,43
7	70	48,8	25	23,6	0,70	0,36	0,34
14	130	88,7	46,8	32,4	0,68	0,36	0,25

Видно, что даже при одинаковой частоте вращения (3000 об/мин) двигатели с номинальной частотой 400 Гц имеют меньшую массу, чем при частоте 50 Гц. (Исключение составляет лишь случай наименьшей мощности двигателя – 1 кВт.) Использование двигателей, при мощности не менее 2,8 кВт, с частотой вращения 6000 об/мин позволяет уменьшить массу двигателей от двух до трёх раз, а с частотой вращения 8000 об/мин – от 2,3 до 4,0 раз. Причём выигрыш в массе растёт с ростом мощности двигателя.

Таким образом, увеличение частоты с 50 или 60 Гц до 400Гц позволило получить большое преимущество от использования повышенной частоты – значительное снижение массы электрических машин переменного тока.

Дополнительное снижение размеров и массы электрических машин повышенной частоты достигается увеличением линейной токовой нагрузки A. Для этого применяют кремнийорганическую изоляцию, обладающую повышенной теплостойкостью, и водяное охлаждение машин.

Недостаток применения двигателей с повышенной частотой вращения заключается в необходимости использовать повышенное число пар полюсов. Практически все судовые механизмы не могут быть изготовлены для работы с такой высокой частотой вращения, которая соответствует одной паре полюсов при частоте 400 Гц, то есть с частотой вращения 24000 об/мин. Большой проблемой является и возможность создания самой электрической машины с указанной частотой вращения. Для этого необходимо решить проблему обеспечения надёжности подшипников машины. (Это можно достичь, например, использованием подшипников на воздушной смазке.)

Часть судовых механизмов может быть выполнена для работы с частотой вращения, лежащей в диапазоне от 6000 об/мин до 8000 об/мин. К ним относятся центробежные нагнетательные насосы с небольшой высотой всасывания, турбокомпрессоры, сепараторы масла, некоторые осевые насосы и вентиляторы. Другие центробежные и осевые насосы при таких скоростях не обеспечивают достаточное время наработки на отказ, они разрушаются под действием кавитации. В таких случаях и для многих других приводов целесообразно использовать высокоскоростные асинхронные двигатели с встроенной или пристроенной редукторной передачей планетарного типа. И в таких случаях удаётся получить большое снижение массы при переходе на повышенную частоту. Так, короткозамкнутый асинхронный двигатель мощностью 11 кВт с частотой 50 Гц при 3000 об/мин имеет массу 89 кг. Другой асинхронный двигатель такой же мощности с частотой 400 Гц при 6000 об/мин, снабжённый редуктором, понижающим частоту вращения до 1000 об/мин, имеет массу вместе с редуктором всего 53 кг. То есть использование повышенной частоты и понижающего редуктора привело к уменьшению массы двигателя (вместе с редуктором) в 1,68 раза.

Палубные механизмы (лебёдки, шпили, брашпили), а также некоторые другие механизмы и при использовании асинхронных двигателей с частотой 50 Гц выполняются с приводом через понижающую передачу, с переключением числа пар полюсов в пределах от двух до 16. В таких случаях применение двигателей с увеличенным числом полюсов с теми же, что для двигателей с частотой 50 Гц, частотами вращения может оказаться непригодным. Использование же двигателей с повышенной частотой вращения при увеличении передаточного отношения в редукторе не всегда рационально, особенно для электроприводов, работающих в повторно-кратковременном режиме.

Причина снижения возможностей применения двигателей с повышенной частотой напряжения статора для работы в повторно-кратковременном режиме показана ниже, на примере данных, приведённых в таблице 3.

Кинетическая энергия A_k ротора двигателя при его вращении с синхронной угловой скоростью Ω₀ равна . Потери энергии в обмотках двигателя в динамических режимах работы пропорциональны A_k. Коэффициент пропорциональности для пуска двигателя близок к единице, а для реверса – к четырём. В таблице 3 даны моменты инерции J для короткозамкнутых двигателей, выполненных при частоте 50 Гц на 3000 об/мин и при частоте 400 Гц для ряда частот вращения n: 3000 об/мин, 6000 об/мин и 8000 об/мин. (В этой таблице использованы те же самые двигатели, что и в таблице 2.)

Таблица 3