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

срабатывание контактора КЗ, а затем и К2. Таким образом, вся нагрузка оказывается переведенной на основные генераторы судо­ вой электростанции, работающие на шины ГРЩ.

Остановка дизеля во всех случаях производится вручную путем прекращения подачи топлива. При этом отключается реле РУЗ и загорается сигнальная лампа ЛСЗ, сигнализирующая готовность аварийного дизель-генератора к следующему автоматическому включению.

ГЛАВА III

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

§ 10. Параллельная работа генераторов постоянного тока

На судовых электростанциях постоянного и переменного тока обычно устанавливается несколько генераторов соизмеримой мощ­ ности (см. § 5). В зависимости от условий и режима эксплуатации судна в работу включается различное количество генераторов, ко­ торые, как правило, работают параллельно на общую нагрузку.

Параллельная работа генераторов обладает рядом преимуществ перед раздельной (автономной) работой. Основные из них заклю­ чаются в следующем:

1)параллельная работа позволяет переводить нагрузку с од­ ного генератора на другой без перерыва питания потребителей;

2)при параллельной работе генераторов пики нагрузки вызы­ вают меньшие провалы напряжения в сети;

3)при выходе из строя одного из параллельно работающих ге­ нераторов не нарушается бесперебойность питания потребителей.

Однако наряду с указанными преимуществами параллельной работе генераторов присущи и некоторые недостатки:

1)потребность в более квалифицированном обслуживании, вы­ званная необходимостью осуществлять синхронизацию и распре­ деление нагрузки между генераторами;

2)увеличение токов короткого замыкания;

3)усложнение защиты генераторов.

Параллельная работа валогенераторов затрудняется слож­ ностью распределения нагрузки между ними.

При включении на параллельную работу двух или нескольких генераторов необходимо выполнять определенные условия, исклю­ чающие броски тока в генераторах и колебания напряжения в сети. Такими условиями для генераторов постоянного тока являются:

1)равенство э. д. с. подключаемого генератора и напряжения на шинах щита: ET—UC;

2)встречное направление э. д. с. генератора и напряжения сети - (соединяются однополярные зажимы).

40

О соблюдении первого условия судят по показаниям соответ­

Рис. 9. Схема включения на параллельную работу генераторов со смешанным возбуждением.

поток генератора Ф (увеличив ток возбуждения) или повысить угловую скорость приводного двигателя со.

При внешнихв характеристиках различной крутизны (рис. 10) первый генератор, имеющий более крутую внешнюю характери­

не изменить при этом напряжения на шинах, необходимо увеличить ток возбуждения первого генератора и соответственно уменьшить _ ток возбуждения второго. При этом характеристика первого гене­ ратора будет перемещаться параллельно самой себе вверх, а ха­ рактеристика второго — вниз.

Продолжая увеличивать ток возбуждения первого и уменьшать ток возбуждения второго генератора, можно всю нагрузку пере­ вести на первый генератор (когда Ёг2=ис). Если у разгружаемого генератора ток возбуждения продолжать уменьшать, то его э. д. с. Ет2 станет меньше напряжения на шинах щита Uc и ток-в якоре /г изменит свое направление. Генератор перейдет в двигательный ре­ жим, сохранив направление вращения.

41

Таким образом, для равномерного распределения нагрузки между двумя генераторами соизмеримой мощности необходимо, чтобы внешние характеристики генераторов и механические харак­ теристики их приводных двигателей максимально совпадали.

На судах применяются генераторы постоянного тока с парал­ лельным и смешанным возбуждением. Параллельная работа гене­ раторов со смешанным возбуждением имеет следующую особен­ ность (см. рис.-9). Если в результате неравномерности вращения первичного двигателя или по какой-либо другой причине увели­ чится э. д. с. одного из генераторов, то при этом увеличится и ток его нагрузки, который, протекая по последовательной обмотке воз­ буждения ОВС, вызовет усиление потока полюсов и дальнейшее

рости агрегата, которая может возрасти до недопустимых значе­ ний. Поэтому перемычки между одноименными полюсами якоря и обмоткой последовательного возбуждения параллельно работаю­ щих генераторов соединяются уравнительной шиной. При этом толчки тока, возникшие в одном из генераторов, будут распреде­ ляться по последовательным обмоткам возбуждения обоих генера­ торов, вызывая таким образом уравнивание их э. д. с.

Перед отключением одного из параллельно работающих гене­ раторов снижают его возбуждение, пока ток нагрузки генератора не станет равным нулю.

§11. Включение на параллельную работу синхронных генераторов

Вотличие от генераторов постоянного тока синхронные генера­ торы параллельно могут работать лишь при одинаковых угловых скоростях их роторов, т. е. при синхронном вращении. Выполнение операций по включению на параллельную работу синхронных

генераторов называется с и н х р о н и з а ц и е й .

На судах применяются три метода синхронизации синхронных генераторов: точная синхронизация, самосинхронизация и грубая синхронизация. Рассмотрим эти методы подробно.

Точная синхронизация. Для включения на параллельную работу двух синхронных генераторов или генератора с сетью методом точ­ ной синхронизации необходимы следующие условия:

42

1) равенство э. д. с. включаемого генератора и напряжения сети: ET=UC;

2)равенство частот генератора и сети;

3)нахождение в противофазе векторов э. д. с. генератора Ег

инапряжения сети Uc в момент включения;

4)одинаковый порядок следования фаз генератора и сети. Выполнение первого условия осуществляется регулированием

тока возбуждения включаемого генератора и проверяется по вольт­ метру.

Неравенство э. д. с. генератора и напряжения сети вызывает

тельных нагрузок на первичные двигатели. Однако большие по величине уравнительные токи могут вызвать опасные динамиче­ ские усилия в обмотках генераторов и их перегрев. Поэтому на практике не допускается разность напряжений, превышающая 6—8% номинального напряжения.

Выполнение второго и третьегоусловий синхронизации осуще­ ствляется регулированием угловой скорости первичного двигателя подключаемого генератора путем изменения подачи рабочего тела в двигатель.

Различные частоты подключаемого и работающих генераторов

Известно, что положение ротора синхронного генератора в каж­ дый момент времени может быть определено вектором э. д. с. Если вектор э. д. с. работающего генератора Е% полагать неподвиж­ ным, то вектор э. д. с. подключаемого генератора Е\ будет вра­ щаться вокруг него с угловой скоростью Асо. Угол смещения Ѳ

43

векторов э.д. с. может изменяться при этом от нуля до 2п, в резуль­ тате чего возникает так называемое напряжение биения Uq, изме­ няющееся от нуля ДО 2£/ном-

Если при значительной разности частот все же включить гене­ раторы на параллельную работу, то в их обмотках возникнет ток биения /б, который будет индуктивным относительно напряжения биения Uq и практически активным по отношению э. д. с. генера­ торов (гр~0) (рис. 11,6). Изменяясь с изменением Uç, ток биения будет создавать периодически меняющуюся активную нагрузку (биения) на подключаемый и работающие генераторы и их при­

ДС трехфазная обмотка присоединяется к подключаемому гене­

и стрелки сельсина с угловой скоростью, пропорциональной раз­ ности частот, причем вращение в направлении «Быстро» указы­ вает на то, что частота подключаемого генератора выше частоты сети и требуется воздействие на серводвигатель с целью умень­ шения подачи топлива (или пара) в первичный двигатель. При медленном вращении в момент подхода стрелки к нулевой отметке следует включить автомат А.

Выполнение четвертого условия синхронизации проверяется только после монтажа установки.

Точная синхронизация представляет собой сложный и длитель­ ный, процесс, который в аварийных ситуациях может вызвать уве­ личение перерыва в подаче энергии потребителям.

Допущенные при включении на параллельную работу синхрон­ ных генераторов ошибки, как было показано выше, могут при­ вести к тяжелым последствиям. Поэтому в настоящее время су-

44

ществует ряд схем, позволяющих автоматизировать процесс точной синхронизации.

Самосинхронизация. Способ самосинхронизации является более простым, исключает возможность несинхронных включений и тре­ бует меньше времени для осуществления. Он заключается в том, что невозбужденный синхронный генератор разгоняется первичным двигателем до угловой скорости, на 2—3% отличающейся от син­ хронной. При этом статор генератора подключается к сети, а об­ мотка возбуждения — к источнику постоянного тока (возбуди­ телю). До подачи напряжения обмотка возбуждения замкнута на сопротивление во избежание перенапряжений, опасных для витковой изоляции.

Генератор втягивается в синхронизм под действием реактив­ ного, асинхронного и синхронного моментов, возникающих в гене­ раторе. Р е а к т и в н ы й м о м е н т возникает в генераторах с явнополюсным ротором, который увлекается вращающимся полем ста­ тора. Включенный в сеть невозбужденный синхронный генератор представляет собой асинхронную машину со скольжением, умень­ шающимся под действием а с и н х р о н н о г о м о м е н т а . Если скорость вращения синхронизируемого генератора больше скорости работающих генераторов, то он оказывается в режиме асинхрон­ ного генератора и развивает момент, затормаживающий первичный двигатель до синхронной скорости генератора. Если угловая ско­ рость синхронизируемого генератора меньше угловой скорости ра­ ботающих генераторов, то он работает в режиме асинхронного двигателя и развивает вращающий момент, ускоряющий первич­ ный двигатель до синхронной скорости. По мере уменьшения скольжения уменьшается и асинхронный момент. В этих условиях

и не оказывают значительного вредного воздействия на работу электроэнергетической системы.

В настоящее время разработан ряд схем самосинхронизации, основанных на применении реле разности частот и обеспечиваю­ щих различную степень автоматизации процесса. Однако невоз­ можность синхронизации генератора, работающего под нагрузкой, а также указанные выше недостатки ограничивают применение метода самосинхронизации.

Грубая синхронизация. Грубой синхронизацией называется включение синхронного генератора на параллельную работу без соблюдения условий точной синхронизации, т. е. допускается раз­ ность частот синхронизируемых генераторов до 3—4% и практи­ чески любое несовпадение фаз и различие напряжений. Поэтому

45

такое включение всегда сопровождается толчком тока и провалом напряжения. Чтобы уменьшить их, включение производят через реактор, который после синхронизации шунтируется или отклю­ чается.

Одна из схем грубой синхронизации представлена на рис. 13. После пуска первичного двигателя, достижения им номинальной

мыми значениями реактор должен иметь определенное индуктив­ ное сопротивление хр, которое можно найти из условий:

а) допустимого провала напряжения

(берутся из паспортных данных).

Для того чтобы подключаемый генератор втянулся в синхро­ низм и не нарушил нормальной работы установки, провалы напря­

Метод грубой синхронизации характеризуется значительной про­ стотой подготовительных операций и малой вероятностью ошибок

46

хронизации при значительных начальных скольжениях; 3) увели­ чение количества коммутационно-защитной аппаратуры.

В зависимости от характера выполняемых операций все три вида синхронизации подразделяются на ручную, полуавтоматиче­ скую и автоматическую. При ручной синхронизации все операции по выполнению условий синхронизации и включению генератора на шины ГРЩ выполняются обслуживающим персоналом вруч­ ную. Полуавтоматическая синхронизация предусматривает такой процесс, в котором оператор подготавливает условия для включе­ ния генератора на параллельную работу, а элементы схемы (реле и др.) улавливают момент и производят включение генератора на шины. При автоматической синхронизации подгонка частоты, вклю­ чение генератора и распределение нагрузки выполняется автома­ тически без непосредственного вмешательства оператора.

§ 12. Распределение нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами

При точном выполнении условий синхронизации синхронный ге­ нератор после подключения к шинам ГРЩ работает вхолостую.

и напряжения сети (см. § 11). Как уже отмечалось, этот ток только

Поскольку э. д. с. синхронного генератора определяется вели­ чиной тока возбуждения, то очевидно, что для загрузки подклю­ ченного генератора реактивной мощностью необходимо увеличи­ вать его ток возбуждения.

Для перевода реактивной нагрузки с работающего генератора на подключенный соизмеримой мощности необходимо ток возбуж­ дения нагружаемого генератора увеличивать, а разгружаемого — уменьшать. В соответствии с Правилами Регистра СССР все су­ довые генераторы снабжаются автоматическими регуляторами на­ пряжения (АРН). В этом случае достаточно воздействовать на один генератор, так как регулятор второго генератора, поддержи­ вая напряжение постоянным, соответствующим образом изменит возбуждение своего генератора.

В дальнейшем с изменением режимов работы судовой электро­ станции реактивная нагрузка будет перераспределяться автома­ тическими регуляторами напряжения с точностью, соответствую­ щей коэффициенту статизма характеристик АРН (в процентах)

где Uo — напряжение холостого хода генератора; ^ном — номинальное напряжение.

47

Генератор, снабженный регулятором с меньшим статизмом, бу­ дет нагружаться реактивной мощностью больше других генера­ торов.

Одновременно с реактивной нагрузкой производится распреде­ ление также и активной нагрузки генераторов. Чтобы подключен­ ный на параллельную работу синхронный генератор взял на себя активную нагрузку, необходимо увеличить подачу топлива (или пара) в его первичный двигатель. С увеличением подачи топлива (или пара) вращающий момент первичного двигателя превышает момент сопротивления генератора и вал агрегата смещается на

агрегаты.

При этом в установках небольшой мощности, какими явля­ ются судовые электроэнергетические системы, для сохранения постоянного значения частоты судовой сети подачу топлива (или пара) в первичные двигатели работающих агрегатов необходимо соответственно уменьшить. В случае применения автоматических регуляторов частоты (скорости) и активной нагрузки этот про­ цесс осуществляется путем автоматического воздействия на серво­ двигатели приводных двигателей генераторов.

Точность распределения нагрузки зависит от характеристик и чувствительности регуляторов скорости первичных двигателей (рис. 14). В судовых генераторных агрегатах используются регу­ ляторы скорости со статическими (кривая 1) и астатическими, или изодромными, (кривая 2) характеристиками. Статизм характери­

48

Регулятор с наименьшим статизмом вызывает наибольшую за­ грузку своего двигателя.

Регуляторам свойственна определенная нечувствительность ±Дсо, которая может резко изменить соотношение нагрузок парал­ лельно работающих генераторов. Двигатели с совпадающими ха­

Для более точного распределения активной нагрузки необхо­ димо, чтобы характеристики регуляторов имели возможно боль­ ший статизм и наименьшую зону нечувствительности. Однако ре­ гуляторы с большим статизмом не могут обеспечить постоянства частоты генератора. Используемые в настоящее время регуляторы имеют зону нечувствительности ± (0,5ч-1,0)% и допускают регу­ лирование статизма от нуля до 6%.

На точность распределения нагрузок оказывает влияние также соотношение мощностей параллельно работающих генераторов, ко­ торое не должно превышать 3 : 1 .

Чтобы вывести из работы один из параллельно работающих генераторов, необходимо произвести перераспределение нагрузки, что может быть выполнено толчком или плавно. Перевод нагрузки толчком состоит в отключении генератора от шин генераторным автоматом, после чего вся нагрузка воспринимается работающими агрегатами. Плавный перевод нагрузки производится постепенным уменьшением вращающего момента на валу разгружаемого агре­

в другие двигатели. Этот процесс продолжается до тех пор, пока нагрузка отключаемого генератора не будет равна нулю. Разу­ меется, что одновременно с активной должна сниматься и реак­ тивная нагрузка.

§13. Автоматическое регулирование напряжения

иреактивной мощности генераторов

Электрические системы на современных судах в общем случае объединяют несколько разнотипных генераторов и большое количе­ ство различных по мощности и назначению потребителей электро­ энергии.

Многие из судовых потребителей нуждаются в бесперебойном питании и снабжении электроэнергией высокого качества, которое в установках постоянного тока определяется постоянством напря­ жения, а в установках переменного тока — постоянством напря­ жения и частоты.

По сравнению с береговыми установками мощность судовой электростанции невелика и отдельные потребители электроэнер­ гии соизмеримы по мощности с генераторами судовой электростан­ ции. Кроме того, судовые электроэнергетические системы отли­ чаются резким изменением нагрузки в различных режимах экс­ плуатации судна, частыми включениями и отключениями потре-