книги из ГПНТБ / Никифоровский Н.Н. Судовые электрические станции учеб. пособие

освещения питать от тех же генераторов, что и силовую, но через осве­ тительные трансформаторы, величину вторичного напряжения кото­ рых в таком случае оказывается возможным выбирать.

С точки зрения источников света для целей освещения целесообраз­ но применять низкое напряжение. Лампы накаливания низкого напря­ жения имеют большую световую отдачу и большую механическую прочность. Однако при применении низкого напряжения увеличивается сечение кабелей и величина относительного падения напряжения в них. Большие сечения кабелей и значительные напряжения усложняют проектирование и монтаж установки. В конечном счете большие паде­ ния напряжения приводят к неизбежному снижению световой отдачи ламп накаливания, удаленных от точки питания световых источников. Увеличение же напряжения на зажимах ламп выше номинальной вели­ чины приводит к их быстрому износу; в связи с этим низкое напряжение в судовых установках для целей освещения (исключая малые суда) применяются редко.

Как уже было сказано выше, в настоящее время на судах для сило­ вых электроэнергетических систем принято напряжение переменного тока не более 380 в.

Непрерывный рост установленной мощности судовых электроэнер­ гетических систем весьма остро выдвигает задачу перехода на более вы­

Частота переменного тока

Основной частотой переменного тока на судах отечественного фло­ та, как и в промышленных установках, принята частота 50 гц. Приме­ нение одной частоты в промышленных и судовых установках упрощает задачу электрификации судов, так как позволяет применять на них стандартное электрическое оборудование. Однако за последние годы в СССР и за рубежом на судах начали применять повышенную частоту— 400—500 гц. Увеличение частоты переменного тока позволяет сущест­ венно снизить веса и габариты электрических генераторов, электричес­ ких двигателей, трансформаторов, магнитных усилителей, конденса­ торов.

Генераторные агрегаты. Снижение весов и габаритов генераторов повышенной частоты получается лишь тогда, когда с повышением час­ тоты увеличивается скорость их вращения. При сохранении скорости вращения веса и габариты машин не изменяются и даже несколько уве­ личиваются с увеличением частоты.

Как видно из табл. 1.2, снижение веса у быстроходных генераторов на 400 пер/сек по сравнению с аналогичными генераторами с меньшей частотой вращения на 60 пер/сек в 3,4—3,7 раза. Увеличение частоты и скорости вращения генераторов приводит к возможности уменьшить или вовсе отказаться от применения редукторов между быстроходными паровыми и газовыми турбинами и синхронными генераторами.

37

Т а б л и ц а 1.2 Весовые и габаритные показатели синхронных генераторов

фирмы «Вестингауз» на 60 и 400 перісек

Электродвигатели. Повышение частоты и, соответственно, частоты вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей также приводит к снижению их весов и габаритов. Для иллюстрации этого на

шение частоты судовой сети. Естественно, что существенного сниже­ ния весов и габаритов установки в целом можно добиться в том слу­ чае, если одновременно с увеличением скорости электродвигателей увеличивается скорость судовых механизмов — насосов, вентиляторов и др. В противном случае введение редукторов между быстроходными электродвигателями и тихоходными механизмами снижает преимущест­ ва применения в судовых электроэнергетических установках повышен­ ной частоты. Однако даже применение быстроходных электродвигате­ лей с редукторами и тихоходных механизмов в ряде случаев может дать

38

(О

{' Л А В А 2

Автоматическое поддержание постоянства напряжения и частоты судовых генераторов

§ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ

Генераторы постоянного тока и синхронные генераторы без стаби­ лизирующих устройств — компаундных обмоток, автоматических регу­ ляторов напряжения (АРН) и компаундирующих устройств могут при­ меняться при наличии ручных регуляторов возбуждения лишь в уста­ новках с постоянной или медленно изменяющейся нагрузкой, когда возможна ручная подрегулировка напряжения. В судовых условиях такая нагрузка встречается редко. Чаще нагрузка судовых генераторов не остается постоянной, а изменяется на значительную величину в те­ чение коротких промежутков времени.

При таких графиках нагрузки применение ручного регулирования возбуждения генераторов в целях стабилизации напряжения оказы­ вается невозможным, так как это привело бы к значительным измене­ ниям напряжения на зажимах генераторов и на шинах судовой элек­ трической станции.

В последние годы на судах стали находить применение валогенераторы, сочлененные с главными двигателями. В ряде случаев это оказы­ вается весьма целесообразным, так как позволяет на ходу судна отка­ заться от работы турбоили дизель-генераторов и тем самым сохранить их моторесурс, упростить и удешевить эксплуатацию судна. При изме­ нении скорости хода судна, естественно, изменяется частота вращения главных машин и сочлененных с ними валогенераторов. При изменении частоты вращения генераторов изменяется и их напряжение. В уста­ новках подобного типа ручное регулирование возбуждения генераторов также не может быть применено.

Задача обеспечения СЭС стабилизированным напряжением источ­ ников электрической энергии приводит к необходимости использовать в судовых установках системы автоматического регулирования напря­ жения генераторов как постоянного, так и переменного тока, чтобы напряжение при различных нагрузках поддерживать в заданных пре­ делах.

Систему автоматического регулирования напряжения для судовых генераторов выбирают в зависимости от тех требований, которые предъявляются к электроэнергетической установке с учетом условий эксплуатации.

Эти требования могут быть выполнены, если система регули-

41

рованйя, помимо устойчивости, удовлетворяет также определен­ ным качественным показателям. Основными из них являются:

статическая ошибка, определяемая разностью напряжений при хо­ лостом ходе и номинальной нагрузке генератора в установившемся ре­

жиме; быстродействие системы, характеризуемое скоростью нарастания

напряжения возбуждения генератора и определяющее величину макси­ мального отклонения напряжения'и время первого восстановления но­ минального значения его при набросах нагрузки;

время затухания переходного процесса; характер протекания переходного процесса (колебательный апе­

риодический); способность пропорционального распределения нагрузок между па­

раллельно работающими генераторами, зависящая от зоны нечувстви­ тельности регулятора, статизма и степени согласования характеристик первичных двигателей.

Кроме качественных показателей, при выборе системы регулирова­ ния учитывают: надежность действия системы; срок службы отдельных узлов и деталей; простоту и удобство обслуживания; время, необхо­ димое для приведения системы в рабочее состояние; вес и габариты; стоимость.

Таким образом, системы автоматического регулирования напряже­ ния генераторов должны удовлетворять многим, иногда противоречи­ вым, требованиям.

При разработке и расчете систем в каждом случае следует исходить из конкретных условий работы генератора, а также режимов его на­ грузки и отдавать предпочтение какой-либо определенной части требо­ ваний к системам, другую же часть требований рассматривать как вто­ ростепенную.

Известен ряд систем автоматического регулирования напряжения генераторов. К числу их относятся системы:

свибрационными регуляторами;

сэлектромашинными усилителями с поперечным и с продольным полем;

смагнитными усилителями;

сполупроводниковыми приборами;

сэлектронным регулятором;

компаундирования; компаундирования с корректором напряжения.

Указанные системы по принципу регулирования можно разделить на три группы:

1) системы с регулированием по отклонению напряжения генера­ тора;

2)системы с регулированием по возмущению;

3)системы с комбинированным регулированием — по отклонению напряжения и по возмущению.

Регулирование напряжения синхронных генераторов (СГ) по от­ клонению в настоящее время вытесняется регулированием по возму­ щению, которое выполняет основную функцию в системе регулирова-

42

ния; воздействию по отклонению, если оно применяется, отводится вспо­ могательная роль. Использование регулирования по возмущению улучшает динамические характеристики, уменьшает габариты и повы­ шает надежность системы.

Вкачестве систем с регулированием по возмущению получили рас­ пространение системы компаундирования током нагрузки.

Всистемах регулирования валогенераторов компаундирование про­ водится еще по частоте вращения, так как изменение ее является также возмущающим фактором, действующим на систему.

Всистеме регулирования напряжения СГ компаундирование может быть токовым и фазовым. Фазовое компаундирование позволяет осу­ ществлять регулирование по двум основным возмущающим воздейст­ виям: по модулю тока и по его фазовому углу относительно напряже­ ния, что показывает несомненное преимущество фазового компаунди­ рования перед токовым.

Однако на систему, кроме основных возмущений, влияет ряд вто­ ростепенных факторов, например: изменение температуры окружаю­ щей среды; изменение с течением времени параметров отдельных эле­ ментов системы.

Кэтому необходимо добавить также такие важные факторы, как нелинейность статических характеристик отдельных элементов си­ стем, неидентичность характеристик однотипных машин и других эле­ ментов в системе, возможная неточность настройки системы и др.

Естественно, что связь по основному возмущению не будет реаги­ ровать на эти факторы и в системе возникнут значительные отклонения напряжения. Так, система с фазовым компаундированием СГ, которая будет рассмотрена ниже, при благоприятных условиях дает погреш­ ность в пределах ±3-4-5%, что при современных требованиях часто недопустимо.

Для повышения точности регулирования система должна содержать, помимо связи по основному возмущению, связь, способную устранить влияние всех второстепенных воздействий. Для этого можно исполь­ зовать обратную связь по отклонению напряжения генератора в виде корректора напряжения.

Таким образом, наиболее полно поставленные требования удовлет­ воряются комбинированной системой регулирования, носящей назва­ ние системы компаундирования с корректором напряжения.

В установках постоянного тока в целях стабилизации напряжения широкое применение нашло компаундирование машин. Этот способ ста­ билизации напряжения машин постоянного тока является наиболее простым и вместе с тем, в большинстве случаев практики, удовлетво­ ряет требованиям в отношении качества. Однако в тех случаях, когда к регулированию напряжения в установках постоянного тока предъяв­ ляются повышенные требования или когда частота вращения генератотора изменяется в значительных пределах, оказывается необходимым применение автоматических регуляторов напряжения.

Рассмотрим некоторые из систем автоматической стабилизации на­ пряжения СГ.

43

§ 2.2. СИСТЕМЫ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЯМОГО КОМПАУНДИРОВА­ НИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Самовозбуждение и компаундирование СГ принципиально не отли­ чаются от самовозбуждения и компаундирования генераторов постоян­ ного тока. При питании цепей возбуждения СГ задача усложняется необходимостью преобразования переменного тока статора в постоян­ ный ток, необходимый для цепи ротора. Поэтому развитие систем са­ мовозбуждения и прямого компаундирования СГ оказалось возможным лишь после создания простых, надежных, обладающих высоким коэф­

фициентам полезного действия по­ лупроводниковых выпрямителей.

У машин постоянного тока за­ дача компаундирования упрощает­ ся тем, что при неизменной частоте вращения каждому току нагрузки соответствует одно по величине па­ дение напряжения из-за реакции якоря и сопротивления цепи якоря. У СГ при неизменной частоте вра­ щения каждому току нагрузки мо­ гут соответствовать различные ве­ личины падения напряжения, так как последние зависят не только от величины тока нагрузки, но и от величины коэффициента мощности

ее. У синхронных генераторов последовательно с обмоткой ротора включаются полупроводниковые выпрямители, иногда трансформато­ ры, дроссели и др. Благодаря этому у СГ сопротивление цепи ротора оказывается больше сопротивления обмотки возбуждения. Поэтому процесс начального возбуждения СГ требует соблюдения ряда усло­ вий либо применения специальных устройств, обеспечивающих воз­ можность самовозбуждения (реле, возбудители для начального воз­ буждения и др.).

Внастоящее время в СССР и за рубежом создано большое количест­ во разнообразных схем, успешно решающих задачу самовозбуждения

ипрямого компаундирования СГ. Описанные ниже некоторые систе­ мы самовозбуждения и прямого компаундирования могут быть разбиты на две основные группы: системы токового компаунди­ рования, реагирующие лишь на величину тока нагрузки и не учи­ тывающие ее коэффициента мощности, и системы фазового компаун­ дирования, реагирующие как на величину тока нагрузки, так и на угол сдвига его относительно напряжения.

Всистемах токового компаундирования сложение двух составляю­ щих тока возбуждения генератора — от напряжения и от тока нагруз­ ки — осуществляется на стороне постоянного тока. Примером такой системы может служить схема рис. 2.1. Как видно из этого рисунка, обмотка возбуждения СГ получает питание от двух параллельно сое­ диненных полупроводниковых выпрямителей Впі и Вп2. Выпрямитель

44

B n l, соединенный по трехфазной схеме, получает питание от вторичной обмотки трансформатора напряжения Т р і, первичная обмотка которо­ го включена параллельно зажимам синхронного генератора и обеспе­ чивает необходимый ток возбуждения при раб те генератора вхолостую с номинальным возбуждением. Выпрямитель Вп2, также соединенный по трехфазной схеме, получает питание от вторичной обмотки трансфор­ матора тока Трп2 и компаундирует генератор своим током. Напряжение на кольцах и ток ротора, таким образом, в схеме рис. 2.1 зависят от то­ ка нагрузки генератора, но не зависят от коэффициента мощности на­ грузки.

Известно, что регулировочные характеристики синхронных машин при разных значениях коэффициента мощности нагрузки представляют-

Рис. 2.2. Характеристики СГ при токовом компаундировании:

а «- регулировочные; б — внешние

ся кривыми (рис. 2.2, а). Так как схемы токового компаундирования могут обеспечить только одну характеристику, рассчитанную обычно на номинальный коэффициент мощности нагрузки, то напряжение гене­ ратора не зависит от тока нагрузки лишь при одном коэффициенте мощ­ ности (cos Фнэм)» на который данная система возбуждения рассчитана. При коэффициенте мощности, меньшем чем расчетный, напряжение ге­ нератора уменьшается; при большем — увеличивается вместе с увели­ чением тока нагрузки (рис. 2.2, б). Начальное возбуждение в схеме (см. рис. 2.1) обеспечивается включением на обмотку ротора источника постоянного тока Б низкого напряжения. Диод Д предусмотрен в схе­ ме для автоматического запирания цепи, когда напряжение на кольцах окажется выше напряжения источника тока Б. Подобная схема само­ возбуждения и компаундирования СГ, естественно, является пригодной лишь в тех случаях, когда генератор питает нагрузку с постоянным или малоизменяющимся коэффициентом мощности. Для улучшения рабо­ ты системы возбуждения вводят вместе с токовым компаундированием дополнительное устройство — корректор напряжения, в задачу кото­ рого входит изменение тока возбуждения генератора так, чтобы напря­ жение генератора, независимо от величины тока и коэффициента мощ­ ности нагрузки, оставалось номинальным.

На рис. 2.3 приведена такая схема. Принципиальное отличие ее от описанной выше заключается в наличии корректора напряжения КН, в состав которого входит магнитный усилитель МУ, управляющий то­ ком вторичной обмотки трансформатора напряжения Трі, питающего

45

цепь ротора через выпрямитель Впі. Обмотка управления магнитного усилителя получает питание от корректора напряжения, ток выхода которого зависит нелинейно от напряжения генератора. При незначи­ тельных отклонениях напряжения от номинальной величины в сторону снижения ток обмотки управления резко возрастает, в результате чего увеличивается и ток ротора СГ, компенсируя падение напряжения по­ следнего. Измерительный элемент содержит в себе корректор по часто­ те, который при отклонениях в ту или иную сторону частоты генерато­ ра, а вместе с ней и напряжение, восстанавливает последнее до уровня, близкого к номинальному напряжению машины, воздействуя на ток

Рис. 2.3. Принципиальная схема самовозбуждения и токового ком­ паундирования СГ с корректором напряжения

обмотки управления магнитного усилителя. Наличие в схеме корректо­ ра напряжения обеспечивает высокую точность поддержания напря­ жения. Система самовозбуждения и компаундирования совместно с кор­ ректором напряжения обеспечивают постоянство напряжения с точ­ ностью около ±1 % при изменениях нагрузки от нуля до номинальной величины при номинальном коэффициенте мощности.

Как говорилось выше, начальное самовозбуждение СГ затруднено.

Вописываемой схеме начальное возбуждение машины обеспечивается

спомощью аккумуляторной батареи, напряжение которой при пуске машины выключателем В подается на кольца ротора и на обмотку уп­ равления магнитного усилителя. Благодаря этому увеличивается оста­ точная э. д. с. машины, а также и напряжение, подводимое к кольцам ротора со стороны трансформатора напряжения Трі и выпрямительного устройства В п і. В динамических режимах система возбуждения обеспе­ чивает быстрое восстановление напряжения на зажимах генератора при внезапных изменениях нагрузки. При набросе на генератор нагрузки, равной 50% номинальной, и при номинальном коэффициенте мощности максимальный провал напряжения составляет около 7%, время же до первого восстановления напряжения — около 0,15 сек.

46