2.2. Синхронные генераторы

Генерирование и распределение электрической энергии на современных судах, как правило, осуществляется на переменном токе. Даже в тех случаях, когда значительную часть судовой электрической нагрузки составляют потребители постоянного тока, их питание обеспечивается преобразователями перемен­ного тока в постоянный. Поэтому основным типом современных судовых источников электрической энергии являются источники переменного тока.

На судах отечественного морского флота используется не­сколько серий судовых СГ с мощностями в диапазоне от десят­ков киловатт до единиц мегаватт: МСК, МСС, ГСС, ГМС, ТМВ и др., которые выполняются на напряжение 230 или 400 В с частотой 50 Гц. Номинальные частоты вращения генераторов могут быть 500, 750, 1000, 1500 и 3000 об/мин.

Приводной двигатель ПД вращает ротор генератора, на котором располо­жена обмотка возбуждения. Во вращающуюся обмотку возбуждения через подвижные контакты, образованные щетками и кон­тактными кольцами, поступает постоянный ток — ток возбуж­дения Iв, через систему автоматического регулирования напря­жения (САРН). Этот ток, проходя по обмотке возбуждения, создает основной магнитный поток машины Ф₀, вращающийся вместе с обмоткой возбуждения. На статоре расположены трех­фазная обмотка, к которой подключается нагрузка генератора. В результате взаимодействия магнитного поля с проводниками статорной обмотки в ее фазах индуцируются три симметричные ЭДС е_а, е_в, е_с, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2П/3. Эти ЭДС обеспечивают на зажимах генераторов (и нагрузки) трехфазное напряжение (линейные напряжения u_АВ, u_ВС, u_СА).

Статорная обмотка судовых генераторов соединяется звездой или треугольником. Нейтральная точка звезды изолируется, так как нейтрального провода в СЭЭС нет. Изоляция нейтральной точки в судовых генераторах обусловлена главным образом требованиями техники безопасности.

Судовые СГ бывают брызгозащищенного или водозащищен­ного типа. Конструкция подшипников должна обеспечивать надежную длительную работу при предельно допустимых кре­нах, дифферентах и вибрациях. Напряженный температурный режим в судовых машинных отделениях требует принудительного охлаждения генераторов. Обычно применяется воздушное ох­лаждение с помощью крыльчатки, укрепленной на валу самого генератора (самовентиляция). 0хлаждение ее мощных синхронных генераторов происходит по замкнутому циклу: нагретый в машине воздух поступает в водя­ной воздухоохладитель, где охлаждается и затем вновь подается в генератор. Воздухоохладитель обычно располагается над гене­ратором и крепится на наружной стороне его корпуса. Такая система вентиляции сложнее и дороже, чем вентиляция по разомкнутому циклу, но она обеспечивает более комфортные условия работы в машинном отделении (не происходит выбро­са горячего воздуха в помещение), предотвращает загрязнение внутренних поверхностей генератора парами нефтепродуктов и пылью, что повышает его надежность и долговечность и практи­чески не зависит от температуры воздуха в машинном отделении.

В некоторых типах генераторов, в частности в генераторах серии ТК2, применяют жидкостное охлаждение обмоток, являю­щееся более сложным, но и более эффективным, чем воздуш­ное, и способствующим улучшению массогабаритных показа­телей генераторов.

Обычно у судовых генераторов, так же, как и у общепромыш­ленных, трехфазная обмотка переменного тока располагается на статоре, а обмотка постоянного тока (обмотка возбужде­ния) — на роторе. Однако есть типы судовых генераторов малой мощности (например, серии ЕСС), у которых принято обратное расположение обмоток (такие генераторы называются обра­щенными) .

Важнейшим фактором, влияющим на все характеристики генератора, в том числе и на его конструкцию, является способ возбуждения генератора — способ получения, регулирования и передачи вобмотку возбуждения тока возбуждения.

В настоящее время используются судовые генераторы с си­стемой самовозбуждения, отличающиеся тем, что для возбужде­ния генератора используется небольшая часть (~2...5%) элек­трической энергии, вырабатываемой этим же генератором. По­скольку для возбуждения требуется постоянный ток, а генера­тор дает переменный, то возникает необходимость в промежу­точном преобразовательном звене-выпрямителе. Выпрямитель — выполняется на полупроводниковых вентилях (диодах, тиристорах) и обладает достаточно высокой надежностью, малой массой и габаритами, что и определяет широкое применение этого способа возбужде­ния.

Обычно элементы системы самовозбуждения (автоматического регулирования напряжения) располагаются над статором генератора рядом с воздухоохладителем.

Для обеспечения начального возбуждения используется до­полнительный источник постоянного напряжения (например, аккумуляторная батарея), который на время запуска (порядка секунд) подключается к обмотке возбуждения. После того как на зажимах генератора появляется напряжение, этот источник уже не нужен и его отключают.

Начальное возбуждение практически может быть обеспечено и без дополнительного источника постоянного напряжения. В боль­шинстве судовых СГ с самовозбуждением процесс начального возбуждения при пуске генератора обеспечивается именно за счет остаточного намагничивания.

На судах широко используется бесщеточная система незави­симого возбуждения. Генераторы с такой системой возбужде­ния получили название бесщеточных СГ (БСГ).

В настоящее время предложено много вариантов схем воз­буждения БСГ. Для возбуждения используется электромашинный возбудитель- СГ, имеющий две трехфазные обмотки переменного тока: одна расположена на статоре, дру­гая"- на роторе. Статорная обмотка возбудителя получает пита­ние от СГ. Переменное напряжение, снимаемое с роторной об­мотки, подается на выпрямитель, который нагружен на обмотку возбуждения СГ.

Основное достоинство такой системы возбуждения - отсут­ствие щеточного аппарата (контактных колец и щеток), что повышает удобство эксплуатации и надежность подачи пита­ния в обмотку возбуждения.

Внешние характеристики СГ (независимо от способа его возбуждения) в установившихся симметричных режимах при­ближенно можно описать уравнением

где , и-комплексы напряжения, ЭДС и тока нагрузки генератора; I _В - ток возбуждения генератора; хd - синхронное реактивное сопротивление генератора.

Уравнению (2.1) соответствуют упрощенная схема замеще­ния и векторная диаграмма СГ, представленные на рис. 2.3. Из уравнения (2.1) следует, что изменение тока нагрузки обус­ловливает изменение напряжения генератора, причем на вели­чину напряжения влияет не только модуль тока, по и его фаза (коэффициент мощности нагрузки).

Нагрузка в СЭЭС обычно имеет активно-индуктивный харак­тер при коэффициенте мощности cos порядка 0,8.

Внешние характеристики СГ показывают, что его напряжение существенно (до десятков процентов) изме­няется при изменении нагрузки, если ток возбуждения остается неизменным. Такие изменения напряжения недопустимы с точки зрения обеспечения нормальной работы потребителей. Согласно Правилам Морского Регистра РФ изменения напряжения СГ в установившихся режимах не должны превышать +2,5% U_ном. Для стабилизации c этой точностью напряжения генератора необходимо изменять его ток возбуждения в функции от модуля и фазы (коэффициента мощности) тока нагрузки. Управление током возбуждения генератора осуществляется САРН.

В переходных режимах (внезапные включения и отключе­ния нагрузки, синхронизация и отключения генераторов, ава­рийные короткие замыкания), наблюдаются значительные изме­нения напряжения. Система автоматического регулирования напряжения не успевает мгновенно их компенсировать.

В самой начальной стадии переходного режима (так назы­ваемый сверхпереходный режим), вызванного включением на­грузки, СГ может быть представлен следующей грубой мате­матической моделью:

,

где штрихи у переменных указывают на сверхпереходный ре­жим. Сверхпереходная реактивность примерно на порядок меньше синхронной реактивностивходящей в уравнение (2.1), а.

При внезапном включении нагрузки на ненагруженный гене­ратор начальный провал его напряжения, почти равный у сов­ременных генераторов максимальному, может быть оценен согласно (2.2) по формуле

.

Максимальная величина тока короткого замыкания (при z=0) достигает значения

,

где -напряжение генератора до короткого замыкания.

Наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания, так называемый ударный ток, вычисляется по величине

.

где - ударный коэффициент, учитывающий свободную (апериодическую) составляющую тока и достигающий 1,4. ..1,8. Величина

может превышать в 15...20 раз амплитудное зна­чение номинального тока генератора, что вызовет большую опасность режима короткого замыкания. При протекании такого большого тока возникают значительные электродинамические усилия между токопроводами и термические эффекты. Так, например, при глухом коротком замыкании генератора типа МСК1875-1500 мощностью 1500 кВт ударный ток может превышать 50 кА.

От приводного двигателя СГ требуется постоянство часто­ты вращения при любой нормальной эксплуатационной нагрузке,так как изменения частоты вращения обусловливают пропорциональные изменения частоты и амплитуды напряжения генератора.

С ростом мощности генераторов перспективными оказы­ваются конструкции СГ со сверхпроводящими обмотками. Сверхпроводимость обмоток обеспечивается за счет криогенных систем, в которых для необходимого глубокого охлаждения обычно используется жидкий гелий. Расчеты и эксперименты показывают, что у генераторов мощностью порядка 1 МВт (средняя величина мощности современного судового генера­тора), при использовании сверхпроводящих обмоток общий КПД (с учетом потерь в системе глубокого охлаждения) не отличает­ся от КПД генераторов обычного исполнения, а масса и габа­риты существенно уменьшаются.