книги из ГПНТБ / Михайлов В.С. Судовые электростанции и электродвижение судов учеб. пособие

§ 50. Защита ГЭУ переменного тока

Назначение, принципы выполнения и установки защит в ГЭУ переменного тока те же, что и в ГЭУ постоянного тока. Защитные устройства должны удовлетворять требованиям надежности, быст­ родействия и чувствительности.

Первое из перечисленных требований необходимо для гарантии предотвращения ненормальных режимов ГЭУ. Выполнение требо­ вания надежности во многом достигается использованием макси­ мально простых защитных устройств и минимального количества контактов в цепях защиты, применением аппаратуры высокого ка­ чества.

Быстродействие и чувствительность защитных устройств должны быть такими, чтобы, с одной стороны, возникающие в ГЭУ ненор­ мальные режимы не получали развития, а с другой — чтобы допу­ стимые отклонения в режимах работы не вызывали срабатывания защит.

В ГЭУ переменного тока защитными устройствами снабжаются генераторы, гребные электродвигатели, возбудители. Защита приз­ вана предотвращать такие ненормальные режимы ГЭУ, как раз­ личные виды коротких замыканий в цепях обмоток статоров и ро­ торов генераторов и гребных электродвигателей, короткие замы­ кания на корпус, обрывы цепей возбуждения, переход генераторов в двигательный режим, перегрузки. Все виды защиты воздейст­ вуют на выключающие устройства в цепях возбуждения генерато­ ров, гребных электродвигателей или их возбудителей. Действие защиты может сопровождаться включением звуковой и световой сигнализации, а в отдельных случаях, когда возникающие ненор­ мальности являются неопасными, действие защиты ограничивается предупредительными сигналами.

В соответствии с требованиями Правил Регистра СССР каждый генератор ГЭУ переменного тока должен иметь следующие виды защит: реле заземления с автоматическим действием на звуковую и световую сигнализацию; дифференциальную защиту с действием на отключение цепей возбуждения генератора (для генераторов мощностью 1000 кВт и более); максимальную токовую защиту, ра­ ботающую на отключение цепей возбуждения генератора.

Каждый гребной электродвигатель должен быть оборудован следующими видами защит: дифференциальной защитой, работаю­ щей на отключение цепей возбуждения (для ГЭД мощностью выше 1000 кВт); максимальной токовой защитой, работающей на отклю­ чение цепей возбуждения, на подачу звукового и светового сигналов.

При отключении защитой цепей возбуждения обмотки возбужде­

нии в одном из генераторов ГЭУ возбуждение снимается со всех совместно работающих генераторов, так как вывод защитой из экс-

190

плуатации только одного поврежденного генератора приведет к пе­ регрузке и выпадению из синхронизма других генераторов.

В качестве примеров рассмотрим некоторые схемы защиты, при­ меняемые в ГЭУ переменного тока.

На рис. 95 представлена принципиальная схема максимальной токовой защиты генератора ГЭУ. Защита выполнена с помощью токовых реле, катушки которых подключены ко вторичным обмот­ кам трансформаторов тока. Первичными цепями трансформаторов тока являются шины главного тока. В состав схемы защиты вхо­

Рис. 95. Схема максимальной токовой защиты.

Для защиты генераторов с незаземленной нейтралью доста­ точно двух токовых реле.

Рассматриваемая схема имеет два комплекта реле. Первый комплект включает в себя два реле 1РТ1 и 1РТ2, обеспечивающих максимальную токовую защиту мгновенного действия. При увели­ чении тока в фазе генератора выше определенного значения кон­ такт соответствующего реле 1РТ замыкается и к катушке проме­ жуточного реле РП подается напряжение. Реле РП своими контак­ тами замыкает цепь включения автомата гашения поля АГП, цепи звуковой и световой сигнализации.

Второй комплект включает в себя два реле 2РТ1 и 2РТ2, обес­ печивающих защиту от перегрузки по току с независимой выдерж­ кой времени. Контакты реле 2РТ замыкают цепь катушки реле вре­ мени PB. Если в течение времени, определяемого установкой реле PB, перегрузка по току не исчезнет, то контакт PB в цепи проме­ жуточного реле РП замыкается, вызывая срабатывание защиты.

В цепи каждого из комплектов токовых реле включен указатель срабатывания соответствующей защиты У1 или У2.

Использование контактов PB для непосредственного включения цепей АГП и сигнальных цепей нецелесообразно, так как это при-

191

ведет к необходимости выбора такой конструкции РВ, которая затруднит выполнение этого реле с точки зрения его чувствитель­

быть больше времени пуска и реверсирования гребного электро­ двигателя.

В ГЭУ с ВРШ защита от перегрузки воздействует на систему управления ВРШ таким образом, что при перегрузке разворот лопастей ВРШ уменьшается.

Для защиты определенного участка цепи ГЭУ применяется про­ дольная дифференциальная защита. Широкое применение в систе­

Рис. 96. Схема продольно-дифференциальной защиты.

мах электродвижения имеет продольная дифференциальная защи­ та, выполняемая по схеме с циркулирующими токами (рис. 96, а). В этой схеме каждая фаза защищаемого участка цепи главного тока охватывается двумя трансформаторами тока ТТ1 и ТТ2, сое­ диненными последовательно. К соединительным проводам подклю­ чено дифференциальное реле Р Д — токовое реле, замыкающие контакты которого включены в цепь автомата гашения поля АГП.

Из эквивалентной схемы вторичной цепи дифференциальной за­ щиты (рис. 96, б) имеем

Ip —

где Zu Z2, Z p — сопротивления соответственно вторичной обмотки первого и второго трансформаторов и реле.

Исключая из написанных уравнений токи h и І2, найдем

£\Z2 — Е 2^і

( Z 1 + Z2 ) z p + z t z 2

192

Ь 088Д V

что значительно превысит ток небаланса и вызовет сраба­ тывание дифференциального реле.

Если точка короткого замыкания получит подпитку со стороны нагрузки, то э. д. с. Еі изменит знак на обратный и ток, протекаю­ щий через РД, будет равен

j = - ( Е 1 + Е2)

РZ + 2Zp

Особенность действия дифференциальной защиты состоит в том, что если короткое замыкание произойдет вне защищаемой зоны, то эта защита не срабатывает.

Защита от перехода генераторов в двигательный режим осуще­ ствляется с помощью реле обратной мощности (РОМ). В нормаль­ ном режиме работы ГЭУ поток мощности направлен от генератора к ГЭД. Если направление потока мощности изменится, то РОМ срабатывает и своими контактами включает цепь промежуточного реле, воздействующего на отключающий расцепитель генератор­ ного автомата.

Выше были рассмотрены примеры защит генератора. Защиты гребного электродвигателя выполняются аналогично. Гребные элек­ тродвигатели имеют те же виды защит, что и генераторы, и, кроме того, снабжаются предупредительной защитой от выпадания двига­ теля из синхронизма. Катушки Р реле защиты выпадания двигателя из синхронизма (рис. 97) включаются через выпрямительный

193

мост В в цепь вторичной обмотки трансформатора тока TT, пер­ вичной цепью которого является шина, включенная последователь­ но с обмоткой возбуждения двигателя. При вращении с синхронной скоростью по обмотке возбуждения протекает только постоянный ток, который не трансформируется во вторичную обмотку транс­ форматора тока. Вследствие этого катушка реле, обеспечивающего включение сигнализации, не имеет питания. При выпадании греб­ ного электродвигателя из синхронизма обмотка возбуждения будет пересекаться полем статора, вследствие чего в ней наводится э. д. с, которая трансформируется во вторичную цепь, вызывая срабатывание реле сигнализации.

В ГЭУ, состоящих из одного гребного электродвигателя и од­ ного генератора, возможно применение общей дифференциальной защиты, охватывающей генератор и электродвигатель.

Г Л А В А XI

ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДВОЙНОГО РОДА ТОКА

§ 51. Общая характеристика и особенности ГЭУ двойного рода тока

Стремление объединить преимущества ГЭУ переменного тока (небольшие габариты генераторных агрегатов) и преимущества ГЭУ постоянного тока (высокие маневренные качества гребных

гребных двигателей — электродвигатели постоянного тока. Под­ ключение двигателя постоянного тока к генератору переменного тока осуществляется через преобразовательные устройства пере­ менного тока в постоянный.

До недавнего времени создание систем электродвижения пе­ ременно-постоянного тока тормозилось недостаточным уровнем развития преобразовательной техники. Высокоэкономичные ртут­ ные выпрямители, широко применявшиеся в береговых электро­

ния. Единственно широко применяемым на судах типом преобра­ зователя переменного тока в постоянный был вращающийся пре­ образователь, состоящий из приводного электродвигателя пере­ менного тока и генератора постоянного тока. Однако использовать такой преобразователь для питания ГЭД постоянного тока от сети

194

переменного тока не имело смысла по технико-экономическим по­ казателям. Благодаря развитию полупроводниковой техники и внедрению ее на судах появилась возможность создавать высоко4- экономичные ГЭУ двойного рода тока.

По сравнению с ГЭУ постоянного тока системы электродвиже­ ния смешанного тока отличаются лучшими весогабаритными пока­ зателями генераторных агрегатов. Эти преимущества особенно ярко проявляются при использовании мощных высокооборотных генераторных агрегатов переменного тока. Так, например, относи­ тельная масса генератора постоянного тока мощностью 3600 кВт

равна 3,25 кг/кВт. При использовании генераторов переменного

Еще более высокие технико-экономические показатели имеют генераторы переменного тока с водородным охлаждением, что для коллекторных машин практически неприемлемо.

Надежность блока генератор переменного тока — выпрямитель выше надежности генератора постоянного тока.

Кроме отмеченных достоинств в ГЭУ смешанного тока значи­ тельно улучшается использование приводного двигателя по срав­ нению с его использованием в ГЭУ постоянного тока. Приводные двигатели в ГЭУ двойного рода тока сопрягаются с генераторами переменного тока, вследствие чего в значительной мере снижаются ограничения, накладываемые генератором постоянного тока на

в качестве приводных двигателей генераторов, особенно при пере­ ходе к турбогенераторам повышенной частоты.

Указанное достоинство ГЭУ двойного рода тока особенно важно для судов-атомоходов, так как при этом в значительной мере упрощается использование пара высоких параметров. Рас­ ширяются также возможности для использования высокооборот­ ных газовых турбин в качестве приводных двигателей генераторов ГЭУ.

Отмеченные преимущества ГЭУ смешанного тока обеспечивают им перспективное развитие. Ориентировочные расчеты показывают, что стоимость основного оборудования ГЭУ двойного рода тока на 20—30% меньше стоимости оборудования ГЭУ постоянного тока, а масса — на 20—25% ниже. В то же время установка приобретает маневренные качества, близкие к тем, какие имеет ГЭУ постоян­

19.5

В у с т а н о в к е с н е у п р а в л я е м ы м и в ы п р я м и т е л я м и (рис. 98, а) переменный трехфазный ток, вырабатываемый генера­

Выпрямитель собирается на кремниевых диодах по трехфазной мостовой схеме и представляет собой преобразовательную под­ станцию, размещаемую в специальных шкафах.

+ -

Рис. 98. Принципиальная схема ГЭУ двойного рода тока: а — с неуправ­ ляемыми выпрямителями; б— с управляемыми выпрямителями — тири­

сторами.

Управление установкой осуществляется изменением напряже­ ния синхронного генератора путем изменения тока в обмотке воз­

ный усилитель МУ. Обмотка управления МУ подключена на регу­ лируемое сопротивление Rit находящееся в посту управления ГЭУ.

На вход магнитного усилителя подается также управляющее напряжение, пропорциональное падению напряжения в обмотках дополнительных полюсов ДП и в компенсационной обмотке КО гребного электродвигателя. В результате в схеме образуется жест­ кая отрицательная обратная связь по току нагрузки, что позволяет

196

обеспечить механические характеристики гребного двигателя близ­ кими по форме к механическим характеристикам двигателя в ГЭУ постоянного тока.

Помимо регулирования угловой скорости гребного электродви­ гателя изменением возбуждения синхронного генератора возмож­ но также регулирование угловой скорости изменением возбужде­

отличается тем, что выпрямительная установка выполнена с по­ мощью управляемых выпрямителей УВ — тиристоров.

Управляющие напряжения, подаваемые на УВ, формируются в блоке управления БУ. В этот же блок заводятся также сигналы

и гребных электродвигателей соединение их в схему главного тока осуществляется так, чтобы обеспечить независимое управление всеми винтами при работе любого числа первичных двигателей ге­ нераторов.

Существенным недостатком ГЭУ смешанного тока является пульсация напряжения на выходе выпрямителя, что ухудшает условия работы гребного электродвигателя. Наличие преобразова­ тельного устройства также обусловливает дополнительные потери в синхронном генераторе от высших гармонических составляющих тока статора.

Для устранения указанных недостатков могут быть использо­ ваны сглаживающие реакторы. Кроме того, можно применять также специальные типы синхронных генераторов, в частности шестифазный генератор с двумя сдвинутыми на 30 эл. град статорными обмотками.

§ 52. ГЭУ двойного рода тока с отбором мощности на общесудовые нужды

Для создания единых электроэнергетических установок (ЕСЭУ) в ГЭУ двойного рода тока принципиально могут быть использо­ ваны те же технические решения, которые были рассмотрены в пре­ дыдущей главе применительно к ГЭУ переменного тока. В частно­ сти, установив индукционный регулятор на входе неуправляемого выпрямителя, можно обеспечить широкое и плавное регулирование напряжения, подводимого к ГЭД, при сохранении неизменным на­ пряжения на шинах синхронного генератора, на которые можно включать потребители общесудовых нужд. Очевидно, что этот путь создания ЕСЭУ в ГЭУ двойного рода тока более удобен, чем в ГЭУ переменного тока, так как регулирование угловой скорости ГЭД изменением подводимого напряжения значительно более эффективно для двигателей постоянного тока, чем для асинхрон­ ных гребных электродвигателей. В ГЭУ двойного рода тока с ис-

197

пользованием управляемых выпрямителей задача создания ЁСЭУ еще более упрощается, так как имеется возможность изменять в широких пределах величину выпрямленного напряжения при не­ изменном напряжении на входе преобразователя. Таким образом, удобство отбора мощности для общесудовых потребителей явля­ ется дополнительным преимуществом ГЭУ двойного рода тока.

В предыдущей главе было отмечено, что создание высокоэффек­ тивных ЕСЭУ возможно также путем видоизменения свойств гене­ раторных агрегатов. Определенные перспективы в этом направле­ нии имеют ГЭУ двойного рода тока с использованием последова­ тельного соединения синхронных генераторов. В системах двойного рода тока идея создания ЕСЭУ базируется на следующих

Основное препятствие к реализации указанной идеи состоит в трудности осуществления устойчивой работы синхронных гене­ раторов при их последовательном соединении. Это объясняется, в частности, тем, что вследствие несовершенства регуляторов угло­ вой скорости приводных двигателей генераторов весьма трудно обеспечить синхронное и синфазное вращение роторов синхронных генераторов, что является непременным условием устойчивой ра­ боты генераторов при последовательном соединении.

Одним из способов решения задачи является применение син­ хронных генераторов сдвоенного типа — двух синхронных генера­ торов СП и СГ2, связанных одним валом (рис. 99). Генератор СП называется опорным генератором, СГ2 — проходным. Статорная обмотка опорного генератора соединена в звезду и выведена на внешние клеммы А\, Bh Cj. Статорная обмотка проходного гене­ ратора соединена синфазно-последователыю со статорной обмот­ кой опорного генератора и выведена на внешние клеммы А2, Въ С2. Каждый из генераторов имеет свою обмотку возбуждения ОВП и ОВГ2 с раздельным питанием.

Если магнитный поток опорного генератора Фв і сохранять не­ изменным по величине и направлению, то при неизменной угловой скорости генератора напряжение Ul на клеммах Ai, Bit Ci будет сохраняться неизменным, т. е. £/i=const. При этом напряжение на клеммах А2, В%, С2, т. е. напряжение U2, будет зависеть от величины и направления магнитного потока проходного генератора ФВ 2- Оче-

198

требующую стабильного напряжения питания, а на шины проход­ ного генератора, т. е. на клеммы А2, В2, С2 ,— нагрузку, требующую регулируемого напряжения питания.

Принципиальная схема ЕСЭУ с использованием сдвоенного синхронного генератора представлена на рис. 100. В этой схеме от одного приводного двигателя ПД вращаются два синхронных гене­ ратора: опорный Г1 и проходной Г2. Статорные обмотки обоих генераторов соединены последовательно пофазно. Три конца ста-

дения ССВ так же, как на обычных синхронных генераторах с са­ мовозбуждением. Обмотка возбуждения Г2 подключена на блок

лению с фазовыми напряжениями Г1, либо быть противоположно направленными. При совпадающих напряжениях Г1 и Г2 напря­ жение на входе моста В будет равно арифметической сумме напря­ жений обоих генераторов, а при противоположных направлениях —

мое в широких пределах напряжение, подводимое к гребному элек­ тродвигателю. Помимо управляющих воздействий в цепь обмотки возбуждения проходного генератора через БУВ могут подаваться различные корректирующие воздействия, например сигналы об­ ратных связей по току якоря гребного электродвигателя.

199