Система возбуждения, используемая на судне, является замкнутой комбинированного типа прямого действия с амплитудно - фазовым компаундированием. В качестве объекта управления в основном применяется надежный бесщеточный синхронный генератор с предвозбудителем.

Возбуждение синхронного генератора осуществляется небольшим по размерам возбудителем переменного тока, состоящим из трехфазной обмотки, расположенной на роторе генератора и электромагнитных полюсов, находящихся на статоре рядом со статорной обмоткой основной машины. Обмотка возбуждения возбудителя питается постоянным током от автоматического регулятора напряжения. Трехфазный переменный ток, генерируемый в роторной обмотке, выпрямляется трехфазным выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя и поступает на роторную обмотку возбуждения генератора. Выпрямительное устройство бесщеточного генератора состоит из кремниевых диодов, соединенных по трехфазной мостовой схеме, регулируемого балластного резистора и сглаживающего конденсатора.

Бесщёточный синхронный генератор на рисунке 4 состоит из следующих компонентов, где:

G - статорная обмотка, выходная;

F_G - роторная обмотка возбуждения генератора;

Si - блок вращающихся кремниевых выпрямителей;

E - роторная обмотка возбудителя, выходная;

F_E - статорная обмотка возбуждения;

EVA - внешний реостат задающего напряжения;

AVR - автоматический регулятор напряжения (АРН).

Рисунок 4 Бесщёточный синхронный генератор

Статорная обмотка синхронного генератора уложена в пазы железа статора и представляет собой три обмотки, соединенные звездой.

Конструктивно БСГ объединён с возбудителем переменного тока и вращающимся выпрямительным устройством в один агрегат. Отличительной особенностью БСГ является отсутствие контактных колец и щёток.

Возбудитель представляет собой обращённый трёхфазный синхронный генератор, у которого обмотка возбуждения является неподвижной и питается непосредственно от автоматического регулятора напряжения. В некоторых рассматриваемых далее системах возбуждения и регулирования напряжения генераторов обмотка возбуждения возбудителя состоит из двух частей: основной и управляемой от AРН, что обеспечивает более надёжное начальное возбуждение. Трёхфазная роторная обмотка возбудителя, соединённая звездой подключена к роторной обмотке генератора через трёхфазный блок вращающихся кремниевых выпрямителей, который находится между этими двумя обмотками, ближе к возбудителю, на специально смонтированном изоляционном кольце. Кольцо и вентили вращаются вместе с роторами генератора и возбудителя и размещёны на общем валу.

Трёхфазный переменный ток, генерируемый при вращении в роторной обмотке возбудителя, выпрямляется трёхфазным кремниевым выпрямителем, расположенным на роторной обмотке возбудителя, и постоянное напряжение поступает на роторную обмотку генератора. Расположение вращающихся выпрямителей на роторной обмотке возбудителя удобно как для воздушного охлаждения, так и проведения обслуживания и ремонтных работ при проверке и замене вентилей.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно выходному напряжению подключается сглаживающий конденсатор и разрядный резистор для предотвращения обмотки возбуждения и конденсатора от пробоя.

В результате совместных усилий обмоток статора генератора и возбудителя создаётся результирующая магнитодвижущая сила а, следовательно, и поток возбуждения, обеспечивая реакцию ротора и падение напряжения в обмотке статора генератора во всех режимах работы - от холостого хода до номинальной нагрузки.

Возбудитель переменного тока представляет собой обращённый синхронный генератор роторного типа. Ротор установлен на том же валу, что и ротор

генератора и представляет собой трехфазную обмотку переменного тока. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения статора, поэтому необходим возбудитель переменного тока высокой частоты: чем выше частота, тем больше возбуждение. Однако высокая частота стремится увеличить потери в железе. Так как увеличение числа полюсов пропорционально увеличению частоты, то частота особенно ограничивается при использовании на низкой частоте вращения с точки зрения экономичности конструкции. В основном, для возбудителя переменного тока принята частота 60 Гц.

Кремниевый выпрямитель возбудителя переменного тока. Учитывая электрические и механические свойства, кремниевый выпрямитель для бесщёточного синхронного генератора должен быть высоконадежным, небольших габаритов и массы.

Он состоит из кремниевой части, которая закреплена вертикально на тонкой пластине основания, для надежного контакта пластины, основания и элемента, и питающего провода. Этот силовой тип контакта кремниевого элемента выпрямителя использует свою огромную силу, когда она приложена вертикально вместе с давлением по направлению к пластине основания и проявляет великолепные характеристики, учитывая такие механические недостатки как внешнее давление, центробежная сила, вибрация системы в действии. Все главные части кремниевого элемента типа P-N перехода помещены в кожух, в котором находится инертный газ, на работу которого не влияют окружающие атмосферные условия.

В дополнение к кремниевому выпрямителю параллельно подключены конденсатор и резистор для предотвращения от чрезмерного напряжения обмоток, предохраняя их от пробоя.

Система возбуждения.

Одним из основных элементов системы возбуждения синхронного генератора является трёхфазный трёхобмоточный трансформатор TWT рисунок 5 Этот трансформатор разработан для:

- получения тока возбуждения, необходимого генератору для выработки номинального напряжения на холостом ходу и под нагрузкой;

- поддержания постоянного значения номинального напряжения путём компенсации падений напряжения, возникающих в генераторе в соответствии с векторной диаграммой;

- подпитки обмотки возбуждения генератора суммарным током, выпрямленным главным выпрямителем.

Конструктивно трёхфазный трансформатор представляет собой систему из трёх обмоток со стальным Ш-образным сердечником, имеющим обмотки напряжения и тока. Обмотки размещены таким образом, что воздушное пространство между проводами настолько мало, насколько возможно и таким образом в большой степени улучшает эффективность отвода температуры. Кроме того, поверхность изоляции сконструирована так, что площадь незащищённой поверхности на открытом пространстве увеличена и как результат - уменьшение колебаний температуры на поверхности изоляции. В результате местный перегрев внутри обмоток устраняется, что увеличивает надёжность.

Главный выпрямитель MR разработан для выпрямления выходного тока трёхфазного трансформатора, питания обмотки возбуждения генератора и использует кремниевый элемент выпрямления. Он защищён от обратного напряжения путём применения конденсатора C, описанного ниже так же, как и сам эффект хранения заряда этим конденсатором.

Реактор переменного тока L подсоединяется на фазные клеммы параллельно статорной обмотке генератора и предназначен для сдвига вектора тока холостого хода относительно напряжения генератора на угол, равный примерно 90° в сторону отставания.

Рисунок 5 Система возбуждения

Конструкция реактора такова, что величина зазора может быть легко выставлена для получения необходимого значения. Замыкающая секция построена так, что в соответствии с результатами испытаний при работе с высокой температурой, величина зазора, изменённая ухудшением изоляции, может быть успешно компенсирована. Обмотка катушки должна непосредственно проходить вокруг железного сердечника, таким образом, высокая температура в достаточной степени передаётся железному сердечнику. В проекте то же самое рассмотрено относительно изоляции. Результат состоит в том, что реактор имеет компактный размер и обеспечен достаточной индуктивностью, требуемой регулятором.

Вся конструкция в целом пригодна к работе в виде, разработанном для предотвращения появления прогибов и деформаций.

Результаты испытания на вибрацию доказывают, что устройство практически несмещаемо.

Блок конденсаторов С. Этот тщательно подобранный блок конденсаторов позволяет возникать резонансу в цепи реактора переменного тока и конденсатора. Поэтому на ток возбуждения в генераторе практически не влияют изменения значений сопротивления при повышении температуры в цепи возбуждения.

Соответственно, напряжение генератора устойчиво и не колеблется при изменениях температуры. Это позволяет чрезвычайно легко поддерживать напряжения на постоянном уровне, когда генератор запущен и нет необходимости предвозбуждать генератор, у которого небольшой остаточный магнетизм. В результате получаем возможность поддерживать постоянное значение вырабатываемого напряжения. В целом для выпрямительных цепей, имеющих большие значения индуктивности на входе и выходе, вырабатываемая выходная кривая (синусоида) напряжения искажена, что препятствует управлению напряжением через тиристор. Однако при установке конденсатора в цепь выпрямителя, форма кривой напряжения формируется таким образом, что обеспечивается устойчивый контроль изменения переменного напряжения. Конденсатор имеет малые габариты и размеры так, что внутренние потери сведены к минимуму - отклонение температуры на 10°С ниже, чем у других конденсаторов. Что касается конструкции, особое внимание уделено варианту комплектации, в котором монтажная площадка и клеммная колодка расположены таким образом, что конденсатор может удовлетворительно работать при качке и вибрации судна.

Внешний реостат уставки напряжения EVA используется в качестве задатчика эталонного напряжения, с которым сравнивается текущее напряжение генератора. В целом, заданное напряжение устанавливается в диапазоне ±5 % от номинального значения и регулируется внешним резистором, имеющим следующие данные: сопротивление R=1,5 кОм, мощность 2 кВт.

Питающий трансформатор PT предназначен для питания цепей AРН. Он удовлетворяет предъявленным требованиям к питанию цепей управлени.

Компенсатор уравнительного тока используется при работе генератора в параллели. Он состоит из: компенсационного токового трансформатора ССТ и

разностного токового трансформатора DCT, резистора CCR и нормально замкнутого контакта автоматического выключателя ACB. Данный контакт размыкается при включении на параллельную работу второго генератора. Таким образом, наличие обмотки DCT AРН2, у подключённого в параллель генератора, обеспечивает равномерное распределение реактивной нагрузки между генераторами.

Шунтовой резистор RS является регулируемым реостатом для использования в шунтирующей цепи тиристора, установленного в выходной цепи трёхфазного трансформатора.

Система автоматического регулирования напряжения

Известно, что напряжение синхронных генераторов с самовозбуждение зависит от нагрузки.

Если обратиться к внешней характеристике СГ, то можно заметить, что с увеличением нагрузки установившееся значение напряжения генератора уменьшается рисунок 6

Рисунок 6 Значение генератора при нагрузке

Отклонение напряжения в СГ определяют главным образом размагничивающее действие реакции статора и индуктивное падение напряжения. В наибольшей степени размагничивающее действие статора проявляется при чисто индуктивном характере нагрузки, когда реакция статора направлена по продольной оси против основного магнитного потока машины. По этим причинам в нагруженном СГ при отсутствии автоматического регулятора напряжение может отклониться от номинального значения на 50%, а в некоторых случаях и больше.

Известно, что пуск большинства судовых АД осуществляется прямым включением в сеть и сопровождается большими бросками тока при низком коэффициенте мощности. Поэтому в сети при ограниченной мощности судовой электростанции значительно снижается напряжение При прямом пуске АД, соизмеримого с генератором по мощности, пусковые токи оказываются настолько большими, что напряжение генератора может снизиться до значения, при котором работающие электроприводы либо отключатся, либо уменьшат частоту вращения и остановятся. Процесс разгона включаемого АД при снижении напряжения затягивается (поскольку его вращающий момент пропорционален квадрату напряжения) или может вовсе не осуществиться. Длительность пусковых токов сравнительно невелика, но включения могут следовать одно за другим, например, при работе электродвигателей грузовых устройств). При этом напряжение генератора не успевает восстанавливаться до номинального значения и снижается еще больше.

Значение нагрузки влияет также на изменение частоты вращения приводного двигателя генератора.

Отмеченные особенности судовых электроприводов и генераторов привели к необходимости автоматической стабилизации напряжения и частоты в СЭЭС.

Наиболее тяжелые условия работы с точки зрения стабилизации напряжения и частоты вращения оказываются у валогенераторов. Последние, в отличие от автономных судовых ГА, воспринимают все колебания частоты вращения

гребного вала, которые при этом могут изменяться в довольно широких пределах за сравнительно малый промежуток времени.

Принципы построения систем автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов.

Система автоматического регулирования напряжения представляет собой динамическую систему, состоящую из объекта регулирования - синхронного генератора и автоматического управляющего устройства - автоматического регулятора напряжения (АРН), взаимодействующих между собой.

Регулируемой (управляемой) величиной в САРН является напряжение генератора Ur, управляющей (регулирующей) величиной - напряжение Uв или ток /в возбуждения генератора. Основное внешнее воздействие на генератор и его выходное напряжение оказывают ток нагрузки, и фаза тока нагрузки генератора.

Питание обмотки возбуждения генератора ОВГ осуществляется по двум каналам: по каналу напряжения Iu и по каналу тока нагрузки It рисунок 7.

Рисунок 7 Схема САРН

В режиме холостого хода процесс возбуждения обеспечивается по каналу напряжения, а при нагрузке - еще и но каналу тока рисунок 8.

Рисунок 8 Зависимость тока возбуждения от тока нагрузки генератора

Основным достоинством бесщеточных синхронных генераторов (БСГ) является полное отсутствие скользящих контактов, что обеспечивает им большую эксплуатационную надежность при условии надежного крепления вращающихся вентилей. Быстродействие, масса и габаритные размеры этой САРН примерно такие, как у САРН с возбудителем постоянного тока. На судах БСГ находят все более широкое применение.

5.5 Система регулирования частоты тока судовой электростанции переменного тока

Приводной двигатель

Аккумуляторы электрической энергии широко применяют на судах в качестве резервного, аварийного, а иногда и основного источника электроэнергии. От аккумуляторов питаются различные виды связи и сигнализации: телефонная, звонковая, противопожарная, температурно-тревожная и т.п. Аккумуляторы служат источником питания малого аварийного освещения, радиоаппаратуры и т.п. Однако аккумуляторы обладают существенными недостатками, такими, как относительно низкий к. п. д., большая первоначальная стоимость, недолговечность, необходимость тщательного ухода за ними, значительный вес, выделение взрывоопасных и вредных газов и др.

Кислотные аккумуляторы имеют меньшие габариты, у них надежное постоянство напряжения при больших разрядных токах и т.д.

Кислотные аккумуляторы представляет собой сосуд заполненный электролитом соответствующей плотности (раствором серной кислоты в дистиллированной воде), в который погружен блок пластин из чистого свинца Pb и блок пластин из двуокиси свинца PbO2 рисунок 10. В следствии диссоциации молекул кислоты в электролите заряженного аккумулятора имеют ионы водорода Н2 и ионы кислотного остатка SO4. При замыкании пластин аккумулятора на некоторое сопротивление через него будет протекать ток. Отрицательно заряженные ионы SO4 будут двигаться к положительно заряженным пластинам из чистого свинца. Ионы водорода, имеющие положительный заряд, будут двигаться к отрицательным пластинам, содержащим двуокись свинца. Количество отрицательных пластин в аккумуляторе на одну превышает число положительных пластин, что необходимо для предотвращения коробления положительных пластин, возможного при их одностороннем разряде.

Рисунок 10 Схема кислотного аккумулятора

При разряде кислотного аккумулятора на всех пластинах образуется сернокислый свинец и уменьшается концентрация электролита. При интенсивном образовании сернокислотного свинца возможно коробление или выпучивание пластин, а также выпадение из пластин активной массы вследствие того, что объем сернокислотного свинца больше объема исходных продуктов, из которых они образуются. По истечению некоторого времени сернокислотный свинец кристаллизуется в нерастворимое вещество и часть пластины, покрытой им, не участвует в химических реакциях, что снижает полезную емкость аккумулятора. Это явление носит название сульфатации кислотных аккумуляторов. Для ее предотвращения кислотные аккумуляторы не следует хранить в незаряженном состоянии и нельзя допускать их недозоряд. При коротком замыкании кислотного аккумулятора в нем происходит бурная химическая реакция, интенсивное выделение сернокислого свинца и коробление пластин, которое может быть причиной выпадания из пластин активных веществ.

В процессе заряда к отрицательным пластинам направляются ионы водорода, а к положительным - ионы кислотного остатка. При заряде аккумулятора происходит разложение сернокислотного свинца на исходные продукты, а также восстановление концентрации электролита. Окончанием их заряда можно считать такой момент, когда весь сернокислотный свинец разложится, а концентрация электролита восстановится до нормальной. При дальнейшем заряде потребляемая аккумулятором электрическая энергия расходуется на разложение воды, имеющаяся в электролите, на водород и кислород. Кислород вызывает окисление металлов, имеющихся в аккумуляторе, а водород выделяется в атмосферу, создавая впечатления "кипения" электролита. В смеси с воздухом водород образует взрывчатый гремучий газ, который необходимо немедленно удалять из аккумуляторного помещения.

Заряд аккумуляторов

Заряд осуществляют от статических (полупроводниковых) зарядных устройств, на выходе которых создается создается постоянный ток определенного напряжения. Аккумуляторы можно заряжать при постоянном напряжении, постоянной силе тока или автоматической кривой.

Заряд при постоянном напряжении осуществляют от источника электроэнергии, напряжение которого принимают равным 14 В. Данное напряжение при заряде аккумулятора сохраняют неизменным. В начале заряда значение тока может быть очень большим и его ограничивают с помощью специального регулятора. По мере увеличения э. д. с. аккумулятора значение зарядного тока уменьшают. Этот способ применяют в схемах, предусматривающих постоянную параллельную работу аккумулятора с зарядным устройством.

Заряд при постоянной силе тока осуществляют от зарядного агрегата, напряжение которого регулируется по мере увеличения э. д. с. аккумулятора так, что значение зарядного тока сохраняется постоянным. Первая ступень этого тока принимается равной нормальному разрядному току аккумулятора. При возникновении газовыделения из электролита переходят на заряд второй ступенью тока, значение которого принимают равным 40 - 50% первой ступени. Заряд аккумулятора прекращают после обильного газовыделения из электролита при токе второй ступени.

Заряд по автоматической кривой является по существу модифицированным способом заряда при постоянном напряжении. В этом случае последовательно с аккумулятором включают небольшое сопротивление для ограничения первоначального зарядного тока. Затем с увеличением э. д. с. аккумулятора ток заряда, а следовательно и падение напряжения в сопротивлений уменьшаются. При этом напряжение на зажимах аккумулятора возрастает.

В целом процесс заряда происходит при медленно падающем токе и непрерывно повышении напряжения.

Окончание заряда кислотных аккумуляторов определяют по следующим признакам: плотность электролита не повышается в течении часа и сохраняется примерно равной 1,25-1,31 г/см3, напряжение на зажимах аккумулятора достигает наибольшего значения и остается постоянным; идет достаточно сильное газовыделение из электролита. Плотность электролита проверяют с помощью прибора - денсиметра. Напряжение аккумулятора измеряют под нагрузкой после отключения его от зарядного устройства.

Во время заряда аккумуляторов необходимо следить за температурой электролита. При достижении температуры 30 - 35 градусов заряд кислотных аккумуляторов следуют прекратить до тех пор, пока температура электролита не понизится.

7. Судовые сети. классификация