книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

Резистор R2 позволяет изменять уставку напряжения генера­

(БРРН) при одиночной работе генератора не принимает участия в процессе регулирования напряжения. Он действует только при па­ раллельной работе генераторов, осуществляя равномерное рас­ пределение реактивной нагрузки между ними. В блок БРРН входят трансформатор напряжения ТН1, трансформатор тока 77, выпря­ митель ПВ1, резисторы R4 и R5.

Работа схемы. Задача схемы сводится к тому, чтобы при умень­ шении или увеличении напряжения генератора соответственно уменьшался бы или увеличивался угол регулирования тиристоров, что, в свою очередь, приведет к увеличению или уменьшению тока возбуждения генератора. Но прежде чем рассмотреть этот процесс последовательно, следует кратко остановиться на самовозбужде­ нии генератора.

Как и в -системах ПАФР, самовозбуждение генератора здесь происходит за счет остаточного намагничивания железа ротора и протекает лавинообразно. Однако в данном случае условия само­ возбуждения осложняются тем обстоятельством, что БФУИ выра­ батывает управляющие импульсы только тогда, когда напряжение на зажимах генератора уже достигнет определенной величины. Для того чтобы процесс самовозбуждения'мог развиваться успешно, на управляющие электроды тиристоров подается положительный по­ тенциал непосредственно с их анодов через дроссели Др4 и Др5, диоды Д7 и Д8 и размыкающие контакты реле Р. При этом угол а равен нулю и -выпрямитель работает как неуправляемый. Нараста­ ние тока возбуждения генератора приводит к -срабатыванию реле Р, катушка которого включена последовательно с ОВГ. Контакты реле Р размыкаются, и управление тиристорами переключается на БФУИ.

Работу схемы при регулировании напряжения рассмотрим на примере управления тиристо-ром 77. Управление тиристором 72 происходит аналогично во вторую половину периода. Все общие напряжения, являющиеся положительными по отношению к тири­ стору Т1 и транзистору ПП1, являются отрицательными по отноше­ нию к тиристору 72 и транзистору ПП2, и наоборот. Исключение составляет напряжение UBг, полярность которого по отношению к

базам обоих транзисторов одинакова.

При номинальном напряжении генератора, как уже отмечалось, напряжение t/Br равно нулю и на базу транзистора подается лишь синусоидальное напряжение UR8 с соответствующим фазовым сдви­ гом (см. рис. 77, в). В мо-мент перехода этого напряжения через нуль в отрицательную часть полупериода транзистор ПП1 откры­ вается и на вторичной обмотке трансформатора ТИ1 появляется серия импульсов, открывающих тиристор 77 В принципе тиристор может -открываться и одним импульсом, но в данном случае бло- кинг-генератор в течение почти полупериода вырабатывает серию коротких прямоугольных импульсов, обеспечивающих наиболее

12'

оптимальный режим работы тиристора. Угол регулирования ос = 80°, и тиристор 77 пропускает только часть (заштрихованную) поло­ жительной полуволны напряжения (см. рис. 77, а).

Если напряжение генератора уменьшается, то между точками в и г появляется напряжение (—UBг), поступающее на базу транзи­ стора ПП1 и отрицательное по отношению к ней. Сложение этого напряжения с напряжением URS (см. рис. 77, в) приводит к тому, что транзистор ПП1 начинает открываться раньше, т. е. угол а уменьшается до значения а2, а среднее значение выпрямленного напряжения БУВ увеличивается.

Если напряжение генератора увеличивается по сравнению с но­ минальным, то напряжение UBr становится положительным по от­ ношению к базе транзистора ПП1. Сложение напряжения + L 'Br с UR8 приводит к тому, что транзистор ПП1 начинает открываться позднее. Это значит, что угол а увеличивается до значения cti, a среднее значение выпрямленного напряжения и ток возбуждения генератора уменьшаются.

Эксплуатация существующих тиристорных систем возбуждения на судах подтверждает их высокие технико-эксплуатационные по­ казатели.

§ 27. Параллельная работа генераторов постоянного тока

В том случае, когда на электростанции одновременно находят­

122

раллельная работа генераторов, хотя в этом случае и возникают определенные трудности при включении генератора в работу.

При включении генератора на параллельную работу (рис. 78) существует опасность, что генератор в момент включения скачко­ образно примет на себя нагрузку или начнет работать в режиме электродвигателя и тем самым резко увеличит нагрузку работаю­ щих генераторов. В идеальном случае генератор в момент включе­ ния его на шины электростанции должен оставаться на холостом ходу, т. е. /я= 0. Предположим, что в работе находится генератор Г2, а включается генератор Г1. Ток якоря генератора Г1 определя­ ется формулой

Таким образом, в момент включения генератора должно быть выполнено условие Er= U m. Сравнивать э. д. с. включаемого ге­ нератора с напряжением на шинах электростанции вообще можно по вольтметрам, установленным на каждой генераторной панели ГРЩ. Но в этом случае может быть допущена серьезная ошибка из-за погрешности вольтметров. Поясним примером. Включается генератор: Р = 5 0 кВт; Н=230 В, =0,05 Ом, /Н=215А. Измери­ тельные приборы имеют класс точности 2,5, но при этом у вольт­ метра включаемого генератора погрешность —2,5%, а у вольтмет­ ра работающего генератора +2,5% , При одинаковых показаниях разность между Е { и Um составит +11,5 В, а бросок тока в момент включения генератора 230 А. Еще хуже будет ситуация, если зна­ ки погрешностей у вольтметров поменяются. Тогда вновь включен­ ный генератор окажется в двигательном режиме и нагрузит рабо­ тающие генераторы током 230 А. Приведенный пример показывает, во-первых, насколько важно выполнение условия Er= U m, и, во-вто­ рых, что контроль за выполнением этого условия можно вести только одним вольтметром с переключателем Яв.

После монтажа электростанции на вновь строящемся судне или после ремонта для параллельной работы генераторов необходимо, чтобы полярность напряжения у всех генераторов была одинако­ вой. При разноименной полярности произойдет не параллельное, а последовательное включение двух генераторов с коротким замыка­ нием их друг на друга. Полярность напряжения у возбужденных генераторов можно определить по отклонению стрелки вольтметра магнитоэлектрической системы.

На вновь включенный генератор необходимо принять нагрузку пропорционально его мощности. Из формулы (44) видно, что это можно сделать, увеличивая э. д. с., Еь т. е. увеличивая ток возбуж­ дения регулировочным реостатом /щ. Для того чтобы напряжение на шинах при этом оставалось постоянным, уменьшают ток

123

возбуждения у работающих генераторов. Контроль за распределе­ нием нагрузки ведется по амперметрам.

Параллельная работа генераторов со смешанным возбуждением невозможна при отсутствии уравнительного соединения СУ (рис. 78). Если ток, например, генератора Г1 по какой-либо причине не­ сколько уменьшится, а у генератора Г2 соответственно увеличит­ ся, то, благодаря действию последовательных обмоток ОВ21 и ОВ22, уменьшится поток возбуждения и э. д. с. у первого генера­ тора и увеличатся у второго. Из формулы (44) видно, что это при­ ведет к дальнейшему уменьшению тока у первого генератора и со­ ответственно увеличению у второго. Генератор Г2 примет на себя всю нагрузку, а генератор Г1 разгрузится и даже может перейти в двигательный режим.

Уравнительное соединение, обладающее ничтожно малым соп­ ротивлением, соединяет последовательные обмотки между собой параллельно. При одинаковом сопротивлении последовательных обмоток ток между ними всегда будет распределяться поровну, и тогда исчезнет причина, вызывающая самопроизвольное перерас­ пределение нагрузки между генераторами.

Равномерное распределение нагрузки между генераторами во многом определяется характеристиками регуляторов частоты вра­ щения первичных двигателей. По Правилам Регистра СССР эти ре­ гуляторы должны иметь такие характеристики, чтобы нагрузка от­ дельных генераторов не отличалась от величины пропорциональной мощности данного генератора больше, чем на 12% мощности наи­ большего или 20% мощности наименьшего из генераторов, рабо­ тающих параллельно.

§ 28. Включение генераторов переменного тока на параллельную работу

Процесс включения генераторов переменного тока на парал­ лельную работу значительно сложнее включения генераторов по­ стоянного тока и требует определенных навыков и внимания.

При неправильном включении генератора могут возникнуть броски тока как у включаемого, так и у работающего генераторов, в два раза превышающие ток короткого замыкания. У генераторов могут возникнуть толчки моментов, опасные, например, для под­ шипников первичных двигателей, и т. д.

Во время монтажа электроустановки или после ремонта необхо­ димо проверить порядок чередования фаз у всех генераторов, предназначенных для параллельной работы, и включить их кабе­ ли на общие шины ГРЩ так, чтобы порядок чередования фаз у всех генераторов был одинаков.

Чередование фаз зависит от расположения фазных обмоток в пазах статора и от направления вращения ротора генератора. Та­ ким образом, если у одного из генераторов порядок чередования фаз отличается, то следует поменять направление вращения его

124

тыми ‘контактами ВГ1 будет меняться от нуля до удвоенного значе­ ния с частотой, равной разности частот включаемого и работающе­ го генераторов. Значит, надо выполнить второе условие, т. е. выров­ нять частоту включаемого генератора с частотой работающего, воздействуя на регулятор частоты вращения первичного двигате­ ля. Чем ближе будут совпадать частоты генераторов, тем медлен-

нее будет изменяться напряжение на контактах выключателя. По второму закону Кирхгофа это напряжение равно геометрической сумме э. д. с. и напряжений, действующих в контуре, образованном нулевым проводам и соответствующей фазой. Совершенно очевид­ но, что напряжение на разомкнутых контактах выключателя будет равно нулю, когда векторы э. д. с. включаемого генератора будут находиться в противофазе с векторами напряжений соответствую­ щих фаз работающего генератора. Этому случаю соответствует векторная диаграмма напряжений на ри;с. 79, б. Такой момент пе­ риодически наступает и достаточно хорошо фиксируется специаль­ ным прибором при близком совпадении частот генераторов и -на­ зывается моментом синхронизации. Прибор, определяющий момент синхронизации, называется синхроноскопом. На -судах отечествен­

жением.

Если к моменту включения генератора на шины он вращался не­ много быстрее работающих, то после включения генератор сразу примет на себя небольшую нагрузку, а если он вращался медлен­ нее, то окажется в двигательном режиме и тем самым увеличит нагрузку работающих генераторов.

На многих судах иностранной постройки для определения мо­ мента синхронизации применяются электрические лампы накали­ вания ЛС, включенные, как показано на рис. 79, а. При наступле­ нии момента синхронизации лампы гаснут. Строго говоря, они гас­ нут при напряжении около 30% Uн, т. е. несколько раньше.

Метод точной синхронизации позволяет ввести генератор в ра­ боту при наиболее благоприятных условиях для генераторных аг­ регатов и не отражается на работе потребителей. Однако уверен­ ное выполнение его требует достаточно высокой квалификации оператора, определенных навыков и внимания. В противном случае может произойти ошибка, которая приведет к аварии генераторно­

го агрегата.

Успешное включение генераторов переменного тока на парал­ лельную работу методом точной синхронизации во многом зависит от качества работы автоматических регуляторов скорости враще­ ния первичных двигателей генераторов.

При плохой работе регуляторов очень трудно выровнять часто­ ты и уловить момент синхронизации.

Относительная сложность метода точной синхронизации, воз­ можность ошибки и увеличение времени ввода генератора в рабо­ ту при плохой работе регуляторов скорости потребовали разработ­ ки более простых методов включения генераторов на параллель­ ную работу.

126

Метод грубой синхронизации. При этом методе выполняются два условия, т. е. выравнивается э. д. с. включаемого генератора с напряжением работающих и частота. После этого генератор вклю­ чается на шины ГРЩ без определения момента синхронизации. Следовательно, в момент замыкания генераторного выключателя на его контактах может быть напряжение, в самом неблагоприят­ ном случае достигающее удвоенного фазного напряжения генерато­ ра. Как уже отмечалось выше, в этом случае могут возникнуть бро­ ски тока, превышающие ток короткого за(мыкания.

При грубой синхронизации для ограничения бросков тока после­ довательно в каждую фазу включается индуктивное сопротивле­ ние (реактор). Генератор постепенно (3-М О с) втягивается в син­ хронизм, после чего реактор шунтируется специальным контактором и исключается из схемы. Индуктивное сопротивление реактора вы­ бирается таким, чтобы при самом неблагоприятном моменте вклю­ чения ограничить бросок тока до величины, которая не вызовет про­ вала напряжения на шинах электростанции более, чем допускает­ ся по Правилам Регистра СССР. С другой стороны, увеличение индуктивного сопротивления реактора приводит к увеличению вре­ мени втягивания генератора в синхронизм и, более того, генератор в некоторых случаях может вообще не войти в синхронизм.

На современных судах грубая синхронизация начинает нахо­ дить широкое применение, так как процесс включения генератора упрощается.

Метод самосинхронизации. Этот метод разработан в Советском Союзе и применяется на береговых электростанциях.

Когда скорость вращения первичного двигателя достигнет но­ минального значения, невоэбужденный генератор включается на шины ГРЩ. Одновременно с замыканием генераторного выключа­ теля включается ток в обмотку возбуждения, и далее ротор генера­ тора постепенно входит в синхронизм.

Метод самосинхронизации чрезвычайно -прост, однако в момент включения генератора происходит бросок тока, который вызывает провал напряжения до 30—35% от номинального, что выходит да­ леко за пределы допустимого значения. По этой причине на судах такой метод включения генераторов не применяется.

Наряду с ручными способами синхронизации на многих судах применяется полуавтоматическая и автоматическая синхронизация генераторов. При полуавтоматической чаще всего используется ме­ тод грубой синхронизации.. После приближенного выполнения пер­ вых двух условий (выравнивание напряжения и частоты) включа­ ется генераторный выключатель и одновременно с ним запускается реле времени. Через 5—7 с реле времени срабатывает и включает контактор, который шунтирует сопротивление реактора.

При автоматической синхронизации чаще используется метод точной синхронизации. Устройство состоит обычно из двух блоков. Одни блок осуществляет подгонку частоты включаемого генерато­ ра, которая непрерывно сравнивается с частотой работающих гене­ раторов. и подается сигнал на серводвигатель, увеличивающий или

127

уменьшающий обороты первичного двигателя. Другой блок опре­ деляет момент синхронизации при соответствующем совпадении частот и подает сигнал на срабатывание генераторного выключате­ ля. При автоматической синхронизации требуется только запу­ стить первичный двигатель и возбудить генератор. .

Плохая работа регуляторов частоты вращения первичных дви­ гателей затягивает процесс автоматической синхронизации, а иног­ да делает ее вообще невозможной.

Распределение нагрузки. Из курса «Общая электротехника» известно, что трехфазная обмотка статора, подключенная к трех­ фазной сети переменного тока, создает вращающееся магнитное поле. При подключении генератора на параллельную работу с со­ блюдением всех условий синхронизации поле и ротор будут вра­ щаться с одинаковой скоростью, причем угол © между осью вра­ щающегося поля и осью ротора равен нулю. Если теперь попытать­ ся увеличить э. д. с. у вновь включенного генератора, увеличивая ток возбуждения его, то в обмотках статора потечет ток. Это будет чисто реактивный ток, и генератор будет вырабатывать только ре­ активную мощность. Реактивный ток отстает от э. д. с. генератора на четверть периода и в каждый данный момент времени протека­ ет в тех проводниках обмотки статора, с которыми в это время маг­ нитное поле ротора не взаимодействует. Следовательно, реактивная мощность, вырабатываемая генератором, не создает тормозного момента, и первичный двигатель работает вхолостую. Из всего ска­ занного видно, что при увеличении тока возбуждения генератор принимает на себя реактивную нагрузку, разгружая от нее другие генераторы. Интересно отметить, что, если ток возбуждения у гене­ ратора не увеличивать, а уменьшать, то он сам становится индук­ тивной нагрузкой для других генераторов. Таким образом, изме­ нением тока возбуждения активную мощность между генераторами перераспределить нельзя.

Для того чтобы вновь включенный генератор принял на себя активную нагрузку, необходимо увеличить вращающий момент пер­ вичного двигателя, увеличивая подачу топлива или пара. При этом ротор под действием возросшего вращающего момента попы­ тается уходить вперед от вращающегося поля. В обмотках стато­ ра увеличится активный ток, под действием которого возрастут си­ лы электромагнитного взаимодействия и уравновесят вращающий момент первичного двигателя. Скорости вращения поля и ротора останутся равными, но угол 0 увеличится. Здесь следует отметить, что при увеличении вращающего момента первичного двигателя угол 0 будет увеличиваться, и генератор будет принимать на себя активную нагрузку до тех пор, пока угол 0<9О ° эл. При дальней­ шем увеличении угла 0 генератор выпадет из синхронизма. При номинальной нагрузке угол 0 у различных генераторов лежит в

пределах 20—30° эл.

Когда вновь включенный генератор принимает на себя нагруз­ ку, другие генераторы разгружаются, при этом скорость вращения всех генераторных агрегатов несколько повышается, а значит, по­

128

вышается частота. Для того чтобы при .переводе нагрузки частота оставалась постоянной, необходимо у первичных двигателей раз­ гружаемых генераторов несколько уменьшить подачу топлива или пара.

Распределение активной нагрузки между параллельно работаю­ щими генераторами контролируется только по ваттметрам.

Зная физическую картину процессов, происходящих в генера­ торных агрегатах при распределении активной нагрузки, можно по электроизмерительным приборам контролировать и оценивать ра­ боту первичных двигателей и их исправность. Приведем несколько примеров.

Общая нагрузка на электростанцию почти не меняется, но стрел­ ки ваттметров колеблются с частотой около 0,5—1 Гц и со'значи­ тельной амплитудой. Нетрудно догадаться, что плохо работают регуляторы частоты вращения первичных двигателей. Если в про­ цессе этих колебаний мощности угол 0 у одного из генераторов превысит 90° эл., то генератор может выпасть из синхронизма. Ве­ роятно, при этом сработает защита и выключит генератор, но ос­ тавшиеся генераторы будут перегружены, приняв на себя всю на­ грузку.

Или еще пример. После распределения активной нагрузки меж­ ду двумя генераторами поровну через некоторое время нагрузка первого генератора скачком уменьшилась, а второго — настолько же увеличилась. Такая ситуация возникает, когда в качестве пер­ вичных двигателей используются дизели и у дизеля первого генера­ тора перестал работать один цилиндр.

По Правилам Регистра СССР автоматические регуляторы ско­ рости вращения первичных двигателей должны иметь такие харак­ теристики, чтобы активные нагрузки параллельно работающих ге­ нераторов переменного тока не отличались более чем на 10% ак­ тивной мощности наибольшего работающего генератора.

Если ваттметры генераторов показывают одинаковую мощ­ ность, а амперметры при этом показывают различный ток, то это означает, что реактивная мощность распределена между генерато­ рами не поровну. Распределение реактивной нагрузки между гене­ раторами зависит от характеристик автоматических регуляторов напряжения.

По Правилам Регистра СССР реактивная нагрузка генераторов не должна отличаться более чем на 10% номинальной реактивной нагрузки наибольшего генератора. У генераторов с прямым ампли­ тудно-фазовым регулированием для равномерного распределения реактивного тока обязательно должно применяться уравнительное соединение, роль которого принципиально не отличается от роли уравнительного соединения при параллельной работе генераторов постоянного тока со смешанным возбуждением. Наиболее простое Уравнительное соединение показано в схеме (см. рис. 75), когда обмотки возбуждения всех работающих генераторов соединяются между собой параллельно. В этом случае токи возбуждения у всех генераторов будут равны (если равны сопротивления обмоток