7. Регулирование напряжения и частоты в сээс

Любое судно, в том числе и промысловое, представляет собой сложный технический объект с постоянно меняющимся составом и мощностью электрической нагрузки. В результате этого постоянно изменяется и нагрузка генераторов судовой электростанции, следовательно, изменяется напряжение на зажимах. С другой стороны, изменение нагрузки вызывает изменение частоты вращения генератора вследствие изменение момента на валу приводного двигателя генераторного агрегата, и если не использовать средства автоматики, то вручную потребуется непрерывное и оперативное вмешательство персонала в управление работой генераторных агрегатов. Ни один человек не способен справиться с такой задачей, следовательно, как правило, в той или иной степени задачи управления режимами реализуются автоматически.

Рассмотрим процесс снижения напряжения на шинах генератора при изменении его нагрузки. Так, при увеличения нагрузки следует уменьшение числа оборотов, это происходит из-за увеличения размагничивающего действия реакции якоря, и из-за увеличения падения напряжения на якорной обмотке. Такой процесс вытекает непосредственно для уравнения электрического состояния, как для ГПТ:

U = E – IR = Cn * (Фо – Фря) – IR

так и для синхронного генератора:

U = E – IR = Cn * (Фо – Фря) – IZ

То есть, в ГПТ и в СГ влияние частоты вращения n и падение напряжения в якорной обмотке можно считать одинаковым по отношению к изменению напряжения на зажимах генератора.

В то же время физически происходящие процессы различаются в ГПТ и СГ, это объясняется тем, что в ГПТ реакция якоря имеет преимущественно продольную составляющую и сама по себе незначительно изменяет магнитный поток в воздушном зазоре. Соответственно незначительным будет и влияние на изменение напряжения на зажимах генератора.

У СГ реакция якоря содержит и продольную и поперечную составляющие, каждая из которых оказывает размагничивающее воздействие на генератор. Причем продольная составляющая существенно уменьшает магнитный поток, поэтому результирующий поток (Фо – Фря) существенно влияет на значение напряжения на зажимах. С другой стороны, в отличие от ГПТ, в СГ реакция якоря и ее влияние на напряжение зависят от характера нагрузки, т.е. коэффициента мощности, причем чем меньше значение cos , тем сильнее проявляется влияние реакции якоря. В реальных судовых электроустановках значение cos может меняться от 0,5 до 1, а значение нагрузки – от 0 до номинального. Отсюда следует, что и у ГПТ, и у СГ напряжение на зажимах при изменении нагрузки может изменяться в пределах, превышающих допустимые Регистром значения. Это подтверждается и анализом внешних характеристик (рис. 23), где 23а – характеристики ГПТ.

• 1 - ГПТ смешанного возбуждения.

• 2 - ГПТ независимого возбуждения.

• 3 - ГПТ параллельного возбуждения.

На рис. 23 б представлены внешние характеристики СГ: 1 – при номинальном cos, 2 – при cos < cosн.

Анализ приведенных выражений электрического состояния показывает, что восстановление напряжения на зажимах генератора после изменения его нагрузки возможно за счет увеличения основного магнитного потока Фо, который, в свою очередь, зависит от значения тока возбуждения, с другой стороны – уменьшение частоты вращения n при увеличении нагрузки может быть компенсировано только за счет подачи пара или топлива в приводной двигатель. Но, в отличие от тока возбуждения, этот контур более инерционный, т.к. в нем задействовано несколько механических элементов.

Т.к. в действительности изменение нагрузки электростанции во времени имеет случайный характер, то эффективного регулирование напряжения вручную нет. Эта задача возлагается на средства автоматики, при этом следует отметить, что в ГПТ смешанного возбуждения допускается работа и без автоматической регулировки напряжения, т.к. эту функцию выполняет последовательная обмотка возбуждения. Именно она компенсирует размагничивающее воздействие реакции якоря и падение напряжения.

Различают 3 вида систем автоматического регулирования:

• САР, обеспечивающая стабилизацию регулируемого параметра.

• САР программного управления

• Следящая САР.

К 1-му виду САР относится система регулирования подачи топлива (пара) и система автоматического регулирования напряжения (САРН). В свою очередь, они по характеру регулирования делятся на статические и астатические по отношению к внешнему воздействию.

В первом случае система обеспечивает установившееся значение регулируемой величины в зависимости от внешнего воздействия.

Во втором случае (астатическая система) такая зависимость отсутствует, т.е. значение регулируемой величины не зависит от внешних воздействий. По отношению к элементам генераторного агрегата, т.е. к генератору и дизелю, внешним воздействием является мощностью на валу дизеля, которая в свою очередь определяется значением активной мощности генератора.

У системы САРН синхронных генераторов внешним воздействием является ток якоря, равный току нагрузки, при этом характеристики регулирования напряжения в зависимости от тока нагрузки не являются прямыми линиями из-за наличия зоны нечувствительности у регуляторов и нестабильности в их работе, которую принято оценивать коэффициентом :

,

где  - размах отклонений незатухающих колебаний регулируемой величины относительно установившегося значения Аном. Именно значение размаха отклонения  определяет зону внутри которой регулируемая величина может принимать допустимое значение. Точность регулирования обычно оценивается коэффициентом  = +-  / 2.

Третьим параметром, характеризующим работу САР, является коэффициент статизма системы отражающий наклон характеристики:

В установленных режимах качество регулирования оценивается точностью поддерживания регулирующей величины - , который получил название статическая ошибка. В целом же работа системы определяется коэффициентом статизма S.

Как известно, в астатических системах регулирования статическая ошибка равна 0, т.е. такие системы обеспечивают более высокое качество регулирования, чем статические системы, но в эксплуатируемых сегодня САРН на судах статическое регулирование встречается чаще.

Вторым параметром, характеризующим работу САРН, является ее быстродействие, которое оценивается временем с момента изменения внешнего до момента начал изменения регулируемой величины.

Таким образом, чем меньше время называемое запаздыванием системы, тем больше скорость изменения регулируемой величины, соответственно быстрее наступает восстановление регулируемого параметра после возникновения внешнего воздействия.

Следует отметить, что при астатической характеристике регулирования восстановление регулируемой величины происходит до ее первоначального значения, в то время как при статическом регулировании восстановление заканчивается в новой рабочей точке.

Как правило, быстродействие САР на практике обеспечивается выбором гибкой отрицательной связи.

Регистр четко регламентирует требования, которым должны удовлетворять судовые САР в отношении частоты вращения приводных двигателей и в отношении напряжения генератора.

• Коэффициент статизма не должен превышать 5 %.

• Точность стабилизации частотного вращения должна быть не ниже 5 %, а точность стабилизации напряжения не ниже 2,5 %.

Эти значения установлены для генераторов, работающих с cosн=0,8. При иных значениях cosн Регистр не устанавливает номинального значения.

Для режимов мгновенного наброса активной мощности до 0,5*Рном провал частоты вращения не должен превышать 10 % от nном с последующим восстановлением в течении времени не более 5 сек.

При мгновенных набросах мощности провал напряжения не должен превышать 15 % с последующим восстановлением не более 1,5 сек.

В настоящее время при построении САРН используют два принципа регулирования:

• регулирование по отклонению контролируемого параметра

• регулирование по внешнему воздействию (возмущению).

На современных судах чаще используются комбинированные системы.

На практике принято называть системы, реагирующие на изменение одного параметра – одноимпульсными, а на два параметра – двухимпульсными.