Причина модернизации.
На судне проекта 1557, предусмотрена схема питания потребителей двойного рода тока, постоянным, для питания рулевого устройства и радионавигационного оборудования и переменного для питания всех остальных потребителей.
Для преобразования переменного тока в постоянный на проекте предусмотрен машинный преобразователь двигатель-генератор, это асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и генератор постоянного тока, мощность электродвигателя составляет 14 кВт., это значит при любом из режимов кроме стояночного, электродвигатель потребляет 14 кВт постоянно не зависимо от того какая мощность потребителей подключена к шинам постоянного тока, по этому в дипломном проекте мною было предпринято заменить двигатель-генератор но более современное оборудование в виде выпрямительного агрегата ВАКС -17.5-230-2И, может работать с мощностью да 17,5 кВт, соответственно потребляемая мощность выпрямительного агрегата напрямую зависит от потребляемой мощности на шинах, а к шинам ГРЩ постоянного тока в редких случаях подключены все потребители. Соответственно с этим идет экономия топлива и экономия на обслуживании, повышается степень надежности при отсутствии меньше узлов и движущихся составных частей.
3.1 Модернизация схемы параллельной работы генераторов.
Параллельная работа генераторов переменного тока требует соблюдения более сложных условий, чем параллельная работа генераторов постоянного тока. Для включения синхронного генератора параллельно с другим необходимо:
1) равенство напряжений работающего и подключаемого генераторов;
2) равенство их частот;
3) совпадение порядка чередования фаз;
4) равенство углов сдвига между э. д. с. каждого генератору и напряжением на шинах.
Последнее условие сводится к геометрически одинаковому наложению роторов генераторов относительно обмоток своих статоров. Процесс приведения генераторов в такое состояние, при котором все перечисленные условия будут выполнены, называется синхронизацией генераторов. Если генераторы синхронизированы, то включение их на параллельную работу протекает спокойно, без появления в системе каких-либо дополнительных толчков тока. Если хотя бы одно из условий не выдержано, то между генераторами появляются значительные уравнительные токи, которые не позволяют осуществить параллельную работу генераторов, а в некоторых случаях могут даже вызвать их повреждение.
Рассмотрим параллельную работу двух синхронных генераторов. Если генераторы одинаковы, электродвижущие силы и скорости вращения их равны, то при отсутствии внешней нагрузки (т. е. при холостом ходе) в цепи обмоток статоров генераторов тока не будет, так как э д. с. взаимно уравновешиваются.
Рис. 17. Уравнительный ток
При включении внешней нагрузки оба генератора начнут отдавать одинаковую, мощность. При индуктивной нагрузке напряжение каждого уменьшится на одну и ту же величину, причем между э. д. с. генератора и его напряжением появится некоторый сдвиг, по фазе определяемый углом δ. Мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, пропорциональна этому углу. Предположим, что мы увеличили возбуждение, а, следовательно, и э. д. с. первого генератора и уменьшили возбуждение второго так, что общее напряжение генераторов осталось прежним. Так как мощность, развиваемая первичными двигателями, осталась неизменной, то как общая мощность, так и мощности, отдаваемые каждым из генераторов, также не изменились. Не изменился и ток внешней нагрузки: I — общий и I/2 — для каждого генератора. Вместе с тем, так как э. д. с. обоих генераторов уже не равны, то между генераторами появится уравнительный ток Iу, протекающий только по цепи генераторов. Распределение токов в этом случае показано на рис. 17. Как видим, ток в первом генераторе будет равен геометрической сумме токов внешней нагрузки I/2 и уравнительного Iу, а во втором — геометрической их разности. Индуктивные сопротивления обмоток статоров генераторов значительно больше их активных сопротивлений. В связи с этим уравнительный ток будет отставать от разности э. д. с. генераторов почти на 90°. При этом условии при сложении токов в первом генераторе и вычитании их во втором результирующий ток будет отставать от напряжения в каждом генераторе на различный угол. Иными словами, каждый из генераторов будет работать при своем коэффициенте мощности, отличном от коэффициента мощности внешней сети. Если активная мощность, потребляемая внешней нагрузкой, близка к суммарной мощности обоих генераторов, то у перевозбужденного генератора действующий ток превысит номинальный ток генератора, чего допускать нельзя (перегрузка по току). Отсюда следует, что при параллельной работе синхронных генераторов необходимо стремиться к тому, чтобы все генераторы работали с одним и тем же коэффициентом мощности, равным коэффициенту мощности сети.
Предположим теперь, что, не изменяя возбуждения воздействием на регулятор первичного двигателя первого генератора, мы увеличили ему подачу топлива. В этом случае первичный двигатель разовьет увеличенный вращающий момент, под влиянием которого ротор первого генератора забежит вперед относительно ротора второго генератора, вращаясь в дальнейшем с прежней синхронной скоростью. Вследствие расхождения по фазе электродвижущих сил генераторов в их цепи возникнет разность э. д. с., под влиянием которой появится уравнительный ток.
Но уравнительный ток по своей фазе будет почти совпадать с э. д. с. первого генератора, т. е. явится для него током нагрузки, и будет почти противоположным э. д. с. второго генератора (будет уменьшать его нагрузку). В этом случае каждый из генераторов будет нести нагрузку, пропорциональную вращающему моменту, развиваемую его первичным двигателем. При этом полюса более нагруженного генератора будут в пространстве находиться впереди полюсов менее нагруженного. Последнее обстоятельство равносильно тому, что у более нагруженного генератора угол сдвига фаз между э. д. с. и напряжением δ1 больше, чем у менее нагруженного δ2.
Следует отметить, что параллельная работа синхронных генераторов проходит устойчиво только при определенных значениях угла δ. Наиболее устойчива она при угле δ, равном 0°, что соответствует холостой работе генераторов; при угле, равном 90°, генератор выпадает из синхронизма и параллельная работа становится невозможной.
Неизменность угла δ зависит от постоянства скорости вращения первичного двигателя. При колебании скорости вращения вследствие изменения нагрузки или по каким-либо другим причинам угол δ может измениться до недопустимой величины. Поэтому надежность и устойчивость параллельной работы синхронных генераторов в значительной мере зависит от качества работы регуляторов оборотов первичных двигателей. Необходимое для перераспределения нагрузок генераторов дистанционное управление подачей топлива первичным двигателям обеспечивается применением регуляторов с серводвигателем или с электромагнитным приводом клапанов подачи топлива. При включении напряжения серводвигатель или соленоид открывает клапан подачи топлива или пара. Степень открытия клапана, а, следовательно, и количество подаваемого топлива регулируется продолжительностью включения серводвигателя или числом включенных соленоидов. Рис. 17. Уравнительное соединение между обмотками возбуждения генераторов Это же устройство служит и для изменения скорости вращения генераторов при их синхронизации.
Рис. 18. Уравнительное соединение в цепях схемы регулирования напряжения
У синхронных генераторов с самовозбуждением и саморегулированием напряжения величина тока возбуждения, зависит от тока в цепи статора. В свою очередь при параллельной работе синхронных генераторов изменение тока возбуждения генератора влияет на величину его реактивного тока. Отсюда вытекает, что при параллельной работе синхронных генераторов с самовозбуждением и саморегулированием напряжения необходимо принимать специальные меры для обеспечения правильного распределения реактивного тока между ними.
В качестве такого мероприятия у генераторов одинаковой мощности предусматривают уравнительное соединение между их обмотками возбуждения (на стороне постоянного тока), как это изображено на рис. 18.
При замыкании автоматов генераторов подается ток на катушки контакторов К1 и К2, подключающих обмотки возбуждения к уравнительным шинам.
В результате параллельного соединения обмоток возбуждения любое изменение возбуждения одного генератора отражается и на величине возбуждения второго. Поэтому распределение реактивного тока между ними сохраняется правильным. При параллельной работе генераторов разной мощности, уравнительное соединение выполняется в цепях схемы регулирования напряжения на стороне переменного тока (рис. 3). Разберем, какими средствами осуществляется выполнение этих условий. Порядок чередования фаз обмоток статора проверяется при монтаже генераторов и их первоначальном подключении к шинам главного распределительного щита (так называемая «фазировка»); Все остальные условия надо контролировать при каждом включении генераторов на параллельную работу. Совпадение напряжений подключаемого генератора и на шинах щита проверяется по вольтметру и достигается регулировкой возбуждения генератора. Эту проверку рекомендуется производить с помощью одного вольтметра, подключаемого через переключатель поочередно к генератору или к шинам щита. Совпадение частот контролируется по частотомеру и осуществляется регулировкой скорости вращения первичного двигателя. Регулировка производится с главного распределительного щита посредством органов дистанционного управления подачей топлива или пара. Для удобства сравнения частот обычно применяется сдвоенный частотомер, имеющий две шкалы, расположенные непосредственно одна под другой. Одна из этих шкал включена на генератор, а вторая — на шины щита.
Равенство углов сдвига фаз между э. д. с. каждого генератора и напряжением на шинах будет иметь место при условии совпадения по фазе синусоидальных кривых напряжений обоих генераторов.
Проверка такого совпадения выполняется либо с помощью ламп синхронизации, либо с помощью синхроноскопа. Различают два способа включения ламп синхронизации: на «темное» и на «светлое» включение. При первом способе лампы синхронизации включаются на одноименные фазы шин распределительного щита и обмоток статора подключаемого генератора (рис. 19).
Рис.19. Включение ламп синхронизации на «темное»
Если скорости вращения генераторов несколько отличаются, одна от другой, то сила света ламп будет периодически изменяться от погасания до максимальной. Эти изменения силы света происходят у всех ламп одновременно. Когда фазы синусоидальных кривых напряжений на клеммах генератора и на шинах распределительного щита совпадают, все лампы гаснут и автомат генератора может быть включен. Этот способ включения неудобен тем, что нельзя определить, вращается ли подключаемый генератор быстрее или медленнее работающего. При втором способе между одноименными фазами обмоток генераторов включается только одна лампа, две же другие включаются на разноименные фазы (РИС 20.). В этом случае все лампы будут загораться и гаснуть в разное время.
Рис. 20. Включение ламп синхронизации на «светлое»
Если такие лампы расположить в вершинах равностороннего треугольника, то по направлению вспышек ламп можно судить о необходимости увеличения или уменьшения скорости вращения подключаемого генератора. В момент совпадения синусоид напряжений, т. е. в момент синхронизации генераторов, лампа, включенная на одноименные фазы, погаснет, а две другие будут гореть с одинаковой силой света.
Более удобно определять момент синхронизации по стрелочному синхроноскопу. Один из способов синхронизации генераторов называется способом точной синхронизации.
Синхронизация по этому способу является достаточно сложной и ответственной операцией, требующей высокой квалификации обслуживающего персонала, а в некоторых случаях и длительного времени для ее осуществления.
Гораздо проще и быстрее включение генераторов на параллельную работу осуществляется по методу самосинхронизации. При этом способе генератор в невозбужденном состоянии разворачивается первичным двигателем до скорости, при которой его частота отличается от частоты на шинах на 1—2 гц (эта скорость называется под синхронной скоростью), затем подключают его к шинам и немедленно дают ему возбуждение. Для проверки частоты синхронизируемого генератора (при отсутствии специального частотомера, который может работать на напряжении, развиваемом генератором при остаточном магнетизме) его до подключения к шинам возбуждают, при достижении под синхронные частоты быстро снимают возбуждение, не изменяя положения маховика регулятора возбуждения, затем включают автомат генератора и снова дают возбуждение. Включение методом самосинхронизации сопровождается возникновением кратковременного броска тока, не превышающего обычно трехкратного значения номинального тока (при низкой величине коэффициента мощности) и поэтому безопасного для генератора. С целью уменьшить бросок тока, возникающий при включении генератора, за последнее время стали применять метод грубой синхронизации генераторов через реактор. При этом методе генератор, возбужденный до номинального напряжения так же, как и при методе самосинхронизации, доводится до под синхронные скорости вращения. После этого включают генератор на шины сначала через реактор, а затем (через несколько секунд) на прямую. После включения генератора на шины реактор выключают. Соответствующим подбором сопротивления реактора можно достигнуть того, что ток включения генератора не будет превышать его номинального тока.
На проекте 1557 предусмотрена параллельная работа генераторов, но не предусмотрена ее точная синхронизация, поэтому мы устанавливаем синхроноскоп.
Синхроноскопы служат для контроля синхронизации генераторов переменного тока при включении их на параллельную работу. В настоящее время на судах применяют синхроноскопы электромагнитной системы типов Э1505, Э1605, Э145. Известно, что лепесток железа, находящийся в неравномерном поле, устанавливается по направлению максимальной интенсивности поля. Ротор синхроноскопа состоит из двух лепестков и замыкающей втулки, расположенных в виде буквы Z и изготовленных из магнито-мягкого материала. Ротор охватывается неподвижной катушкой с обмоткой возбуждения. Неподвижная часть измерительного механизма представляет собой статор с пазами, в которые уложена трехфазная обмотка.
Рис. 21 Схема включения электромагнитного синхроноскопа в сеть напряжением 380 В.
Схема включения прибора показана на рис. 21. Через добавочные резисторы трехфазная обмотка включается на напряжение синхронизируемого генератора II, а обмотка возбуждения — на два фазы работающего генератора I. В этом случае обмотка статора создает вращающееся (частотой вращения 2πf1 об/с) магнитное поле, неизменное по величине (f1 — частота подключаемого генератора). Обмотка возбуждения (обмотка ротора) создает переменное синусоидальное магнитное поле, направленное по оси ротора перпендикулярно вращающемуся, полю статора. Результирующее (от сложения магнитных полей статора и ротора) магнитное поле действует на лепестки ротора. Как показывает расчет, результирующее поле неизменно по величине и вращается с частотой, пропорциональной разности частот f1—f подключаемого генератора и сети. Это вращающееся поле увлекает за собой ротор, лишенный противодействующего момента. Если частота подключаемого генератора f1 больше частоты сети f, то ротор вращается по часовой стрелке — в направлении быстрее. Если же частота сети f больше частоты подключаемого генератора f1, то ротор вращается против часовой стрелки — в направлении медленнее. При равенстве частот ротор устанавливается на отметку синхронизации. В этот момент можно произвести подключение генератора к сети. Для более плавного движения подвижной части в приборах предусмотрен магнитоиндукционный успокоитель. На некоторых судах установлены щитовые синхроноскопы типа Д430 ферродинамической системы. Из-за необходимости иметь круговое вращение стрелки в синхроноскопе применен миниатюрный синхронный двигатель — сельсин. Принцип его использования в приборе основан на следующем. Если обмотку ротора синхронного двигателя питать постоянным током, а обмотки статора — трехфазным, то ротор будет вращаться с постоянной частотой вращения, пропорциональной частоте трехфазного тока, np=2πf. Причиной вращения ротора является взаимодействие поля статора с током в обмотке ротора, которое создает необходимый вращающий момент. Если обмотки статора питать током частотой f1, а в обмотку ротора подать переменный ток частотой f2 <f1, то ротор будет иметь частоту вращения, пропорциональную разности частот f1 и f2. Причем если частота f1 больше частоты f2, то ротор будет вращаться по часовой стрелке, если же частота f2 больше частоты f1, то вращаться он будет против часовой стрелки. В том случае, если частоты токов в статоре f1 и в роторе f2 одинаковы, ротор будет неподвижен.
Рис. 22. Принципиальная схема (а) и схема включения (б) синхроноскопа
Эти свойства синхронного двигателя использованы для применения его в качестве измерительного механизма стрелочного синхроноскопа типа Д340. Ротор сельсина включается в сеть на две фазы работающего генератора, а его статор включается на напряжения синхронизируемого генератора (рис. 22). Измерительным механизмом прибора является миниатюрный сельсин типа А7. Ротор с двумя явно выраженными полюсами имеет однофазную обмотку. Обмотка ротора посредством встроенного понижающего трансформатора включается на зажимы И1 и И2 прибора, к которым подводится линейное напряжение работающего генератора II. Статор с неявно выраженными полюсами имеет трехфазную обмотку, соединенную звездой. Концы статорной обмотки через понижающие трансформаторы выведены к зажимам А, В и С прибора и включаются на линейное напряжение синхронизируемого генератора I.
При протекании тока по статорной обмотке создается вращающееся магнитное поле. Если частота изменения поля ротора и частота вращения поля статора одинаковы, вращающий момент сельсина равен нулю и стрелка прибора, закрепленная на оси ротора, остановится. Положение стрелки относительно отметки синхронизации зависит от угла сдвига одноименных фаз, работающего и синхронизируемого генераторов. Для включения генераторов переменного тока на параллельную работу необходимы не только равенство их частот (синхронность), но и совпадение фаз их напряжений (синхронная фазность). При несовпадении фаз и совпадении частот стрелка остановится в положении, не совпадающем с отметкой синхронизации на 120°. Для удобства определения необходимого изменения частоты вращения синхронизируемого генератора на шкале прибора, справа от средней отметки, сделана надпись: «Быстрее», а слева — «Медленнее», что указывает, быстрее или медленнее синхронной частоты вращения вращается ротор синхронизируемого генератора.
Рис. 23. Общий вид (а), схема (б) лампового синхроноскопа
На некоторых судах с электростанцией малой мощности применяют ламповый синхроноскоп (рис. 23), состоящий из трех ламп накаливания. Лампа Л1 (см. рис. 23, б) включается «на темноту» и в момент синхронизации гаснет, а лампы Л2 и ЛЗ включаются «на светлое», параллельно автомату в разные фазы, и в момент синхронизации горят в полный накал. Лампы размещают по вершинам равностороннего треугольника, закрывают матовым стеклом и помещают в кожух. При неравенстве частот вращения генераторов лампы будут зажигаться и гаснуть в определенном порядке. Это создает впечатление вращающегося светового пятна. Чем меньше отличаются частоты вращения генераторов, тем медленнее вращается световое пятно. В момент синхронизации, когда вращение пятна прекращается, включают синхронизируемый генератор.
Мною выбран синхроноскоп Э-1550.
Выработка дискретного сигнала на синхронизацию 3-фазного генератора переменного тока с сетью. Измерение и сравнение частоты и напряжения работающего генератора (в дальнейшем шина) и синхронизируемого генератора (в дальнейшем - генератора). Установка требуемых параметров по разности напряжений, частот генератора и сети, по времени опережения включения сигнала управления, по напряжению помех на обесточенной шине сети. Блокировка сигнала управления при выходе измеряемых величин за граничные значения ранее установленных параметров. Сравнение углов фаз измеряемых напряжений и формирование сигнала управления на подключение генератора к шине с заданным временем опережения. Индикация сигналов управления для подгонки напряжения и частоты генератора к напряжению и частоте на шине при выходе этих параметров за границы установленных значений. Вычисление времени опережения включения исполнительных реле К1 (для учета быстродействия автоматических внешних выключателей). Функция защиты от двигательного режима за счет того, что команда на включение реле К1 автоматического выключателя выдается только тогда, когда частота генератора выше частоты сети.