Системы регулирования частоты вращения генераторных агрегатов

В результате в суммирующей обмотке wc появляется вторичная ЭДС величиной в несколько вольт (пара обмоток wи wc работает как обычный понижающий трансформатор, в котором w- первичная обмотка, а wc - вторичная).

Эта ЭДС поступает на мостик UZ1, при помощи которого выпрямляется.

В результате в обмотке возбуждения генератора G возникает ток возбуждения, что приводит к резкому увеличению магнитного потока полюсов ротора. ЭДС обмотки статора увеличивается, что вызывает увеличение напряжения на обмотках wи wc ТК, а значит, к увеличению тока возбуждения генератора.

Далее описанный процесс увеличения тока возбуждения генератора повторяется. Напряжение на зажимах генератора также увеличивается.

Процесс самовозбуждения закончится в одном из двух случаев:

1. вследствие насыщения полюсов ротора, при этом напряжение на зажимах генератора составляет 430…460 В (в зависимости от типа генератора) при номинальном напряжении 400 В;

2. вследствие введения в цепь обмотки возбуждения генератора регулировочного реостата, при помощи которого можно изменять напряжение от нуля до максимального.

В данной схеме описанный процесс самовозбуждения невозможен, потому что при малых напряжениях на входе мостика UZ1 (в начале процесса самовозбуждения) прямое сопротивление диодов мостика велико. Иначе говоря, мостик UZ1 представляет собой своеобразную «пробку» на пути увеличения тока возбуждения генератора.

Поэтому для обеспечения начального самовозбуждения в данной схеме использован генератор начального возбуждения ГНВ.

Генератор начального возбуждения ГНВ.

ГНВ предназначен для устойчивого начального возбуждения генератора G.

ГНВ представляет собой 1-фазный генератор переменного тока с сильными постоянными магнитами на статоре (т.е. у него нет обмотки возбуждения на магнитных полюсах статора) и выходной обмоткой на роторе. Ротор ГНВ сидит на одном валу с ротором СГ.

Процесс начального самовозбуждения СГ протекает следующим образом.

После пуска ПД роторы СГ и ГНВ начинают разгоняться. При этом мощный магнитный поток полюсов ГНВ пересекает обмотку ротора ГНВ и наводит в ней 3-фазную ЭДС, которая выпрямляется при помощи мостика UZ2 и после выпрямления поступает на обмотку возбуждения ОВГ СГ.

В результате в обмотке статора СГ индуктируется 3-фазная ЭДС, которая через обмотку напряжения wтрансформируется в суммирующую обмотку w, выпрямляется при помощи мостика UZ1 и после выпрямления поступает на обмотку возбуждения ОВГ СГ.

При этом ток возбуждения СГ увеличивается, что приводит к увеличению 3-фазной ЭДС обмотки статора, а значит, к увеличению прямого напряжения на диодах мостика UZ1 до значения, при котором диоды начинают пропускать ток (для кремниевых диодов это напряжение составляет порядка 1 В).

Как следует из схемы, выходные напряжения мостиков UZ1 и UZ2 направлены встречно. Поэтому в номинальном режиме работы СГ, когда напряжение на выходе мостика UZ1 больше напряжения на выходе мостика UZ2, последний «запирается» и далее в работе схемы не участвует.

Амплитудно-фазовое компаундирование.

Процесс амплитудно-фазового компаундирования поясняется с помощью векторной диаграммы, представленной на рис. 10, б.

Как следует из диаграммы, вектор магнитного потока Фн обмотки напряжения wн отстает от вектора фазного напряжения генератора U на угол 90?, что объясняется большим индуктивным сопротивлением этой обмотки, обусловленным действием магнитного шунта ТК.

Рассмотрим регулирование напряжения по величине (амплитуде) и характеру (фазе) поочередно.

Регулирование напряжения по величине (амплитуде) тока нагрузки.

Рассмотрим регулирование напряжения при изменении тока нагрузки по амплитуде (величине).

При некотором токе нагрузки магнитный поток Фт токовой обмотки wт ТК отстает от напряжения генератора U на угол ц.

Этот поток суммируется с магнитным потоком Фн обмотки напряжения wн (по правилу параллелограмма). В результате суммарный магнитный поток этих двух обмоток Фс пересекает витки суммирующей обмотки wc, наводя в последней некоторую ЭДС взаимоиндукции.

Эта ЭДС поступает на вход мостика UZ1 и выпрямляется, вследствие чего через обмотку возбуждения генератора ОВГ протекает ток, обеспечивающий необходимое напряжение на зажимах генератора.

Если ток нагрузки увеличится, то напряжение генератора уменьшится. Однако при этом вектор магнитного потока токовой обмотки wт увеличится от прежнего значения Фт до нового значения Ф'т , что приведет к увеличению магнитного потока суммирующей обмотки wc от значения Фс до значения Ф'с, а значит, к увеличению ЭДС в этой обмотке и тока возбуждения.

В результате напряжение генератора восстановится.

Регулирование напряжения по характеру (фазе) тока нагрузки.

Если ток нагрузки, не изменяясь по величине, станет более индуктивным, напряжение генератора уменьшится из-за усиления размагничивания генератора идуктивной составляющей тока нагрузки, протекающего через обмотку статора генератора.

Однако при этом вектор магнитного потока токовой обмотки wт, не изменяясь по величине, повернется на больший угол ц1(ц1>ц), т.е. переместится из положения, занимаемого вектором Фт , в положение вектора Ф''т что приведет к увеличению магнитного потока суммирующей обмотки wc от значения Фс до значения Ф''с , а значит, к увеличению ЭДС в этой обмотке и тока возбуждения.

В результате напряжение генератора восстановится.

Коррекция по отклонению напряжения от заданного значения.

Напомним, что основную роль в стабилизации напряжения играет ТК, с помощью которого отклонение напряжения от заданного значения не превышает ± 3,5%.

Для повышения точности регулирования до ± 1,5%.в схеме использована коррекция по отклонению напряжению.

Узел коррекции по напряжению работает так.

При уменьшении напряжения генератора уменьшается линейное напряжение UВС на вторичной обмотке w ТК. При этом уменьшается ток в обмотке управления wу дросселя отбора тока ДОТ, что приводит (см. объяснение работы ДОТ выше) к увеличению тока возбуждения генератора и восстановлению напряжения.

Коррекция по температуре.

При повышении температуры обмоток статора и ротора напряжение генератора уменьшается. Однако при этом одновременно увеличивается сопротивление терморезистора RK, что приводит к уменьшению тока в в обмотке управления wу дросселя отбора тока ДОТ. В результате (см. объяснение работы ДОТ выше) ток возбуждения генератора увеличивается, и напряжение генератора восстанавливается.

Компенсатор реактивной мощности.

В состав компенсатора входят: трансформатор тока ТА, компаундирующий резистор R3 и выключатель SА.

Первичная обмотка ТА включена в линейный провод фазы А. В цепь вторичной обмотки включен последовательно компаундирующий резистор R3.

Переключатель SA имеет два положения - «Одиночная работа генератора» и «Параллельная работа генератора».

При одиночной работе генератора выключатель SА включен, его контакт замкнут, и шунтирует вторичную обмотку трансформатора тока ТА и компаундирующий резистор R3. Поэтому компенсатор реактивной мощности не работает.

При параллельной работе СГ выключатель SА разомкнут. Теперь через вторичную обмотку ТА и резистор R3 протекает ток вторичной обмотки, создающий на резисторе R3 падение напряжения.

Ы= О R3,

где О - ток вторичной обмотки ТА, прямо пропорциональный току фазы А генератора; R3 - сопротивление компаундирующего резистора.

Резистор R3 и вторичные фазные обмотки «В»и «С» ТК соединены последовательно, поэтому на вход выпрямителя UZ3 поступает напряжение управления:

U = Ы + Ы.

При таком напряжении управления ток О обмотки статора генератора отстает от напряжения на некоторый угол ц.

При увеличении реактивной (индуктивной) составляющей тока генератора вектор тока фазы А, не изменяясь по величине (на диаграмме - по длине), повернется на угол ци займет положение вектора О'.

Одновременно с вектором тока повернется на такой же угол вектор напряжения Ы, который займет положение вектора Ы'. При этом напряжение управления увеличится до значения:

U' = Ы + Ы'.

Это (см. выше «Дроссель отбора тока ДОТ») приведет к уменьшению ЭДС генератора, и часть индуктивной нагрузки автоматически перейдет на второй генератор.

Резисторы R1, R2, R3.

Генераторы серии МСС выпускают на номинальные напряжения 400 и 230 В.

Резистор R1 предназначен для настройки схемы СВАРН на эти два разных напряжения - сопротивление этого резистора максимально при напряжении 400 В и минимально при напряжении 230 В. В обоих случаях на вход мостика UZ3 поступает примерно одинаковое напряжение.

Резистор R2 предназначен для регулировки напряжения холостого хода генератора - чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше ток в обмотке управления w и тем больше напряжение холостого хода генератора (см. выше «Дроссель отбора тока ДОТ»). При этом внешняя характеристика генератора U (I) переместится вверх параллельно самой себе, т.е напряжение генератора при холостом ходе и при работе под нагрузкой будет больше, чем при прежнем значении сопротивления резистора R2.

Резистор R3 предназначен для изменения статизма (наклона) внешней характеристики генератора. Такое изменение позволяет обеспечить равенство токов нагрузки однотипных генераторов при их параллельной работе.

При увеличении сопротивления резистора R3 падение напряжения на нем Ы также увеличивается, что приводит к увеличению напряжения управления:

U = Ы + Ы

и, в конечном счете, к увеличению статизма (наклона) внешней характеристики.

Параметры регулирования.

СВАРН данного типа обеспечивает стабилизацию напряжения СГ с отклонением ±2,5 % номинального при условиях: установившегося температурного режима; изменении тока нагрузки от 0 до номинального значения; изменении коэффициента мощности от 0,7 до 0,9; колебаниях частоты вращения ПД в пределах ±2 % номинальной.

При параллельной работе СГ обеспечивается пропорциональное распределение реактивных нагрузок с отклонением не более ± 10 % номинальной реактивной нагрузки наибольшего генератора.

При прямом пуске АД наибольшей мощности время восстановления напряжения составляет не более 0,8 с.

Настройка СВАРН.

Настройку СВАРН начинают на холостом ходу путём регулирования воздушного зазора между магнитным шунтом и магнитопроводом ТК.

Необходимо, чтобы при частоте тока 51 Гц и отключенном регулируемом дросселе ЭДС генератора составляла Е = (1,10…1,13)U.

После этого включают цепь дросселя и резистором R2 уставки устанавливают нужное значение ЭДС (при включенном выключателе SA).

Затем, переводя подвижной контакт резистора R2 в крайние положения, проверяют диапазон изменения уставки (от 1,02 до 0,93 U).

Если диапазон регулирования нужно сместить (например, при переходе от напряжения 400 В к напряжению 230 В, или наоборот), то это делают с помощью резистора R1.

Далее генератор нагружают. Если при этом наблюдается резкое падение напряжения, то чередование фаз подключения обмотки wн изменяют.

7. Бесщеточные синхронные генераторы

Одним из трудоемких при обслуживании узлов системы CВАРН СГ является контактно-щеточный аппарат. При работе генераторов контактные кольца и щетки изнашиваются значительно быстрее, чем другие части генератора. При работе генератора от щеток появляется угольная пыль, которая оседает на обмотках генератора и щеточном устройстве.

Для повышения надежности САРН и уменьшения трудоемкости их обслуживания были разработаны бесщеточные системы возбуждения.

В качестве примера рассмотрим блок-схему СВАРН БСГ фирмы АSEA (Швеция) (рис. 11).

Рис. 11. Блок-схема СВАРН БСГ фирмы АSEA

Блок-схема СВАРН БСГ фирмы АSEA (рис. 11) включает в себя:

1. основной возбудитель ОВ, питающий обмотку возбуждения ОВГ через управляемый трехфазный выпрямительный мост 1; 2. вспомогательный возбудитель 4; 3. регулятор напряжения 2.

Оба возбудителя синхронного типа. Управление тиристорами осуществляется регулятором через импульсные трансформаторы, первичные обмотки которых неподвижны, а вторичные расположены на валу генератора.

Вспомогательный возбудитель имеет две обмотки статора, одна из которых питает обмотку возбуждения основного возбудителя через выпрямительный мост 3, а другая подает вспомогательное напряжение на регулятор.

Все элементы схемы, кроме потенциометра для установки величины напряжения генератора, установлены на генераторе. Потенциометр монтируется на ГРЩ.

Система обеспечивает точность поддержания напряжения в пределах (± 3..5%) номинального при изменении режима нагрузки от 0 до номинальной величины и cos ц от 0 до 1 (рис. 12).

Рис. 12. Внешние характеристики БСГ фирмы ASEA

Время восстановления напряжения при провале, равном 15% номинального составляет 0,1 с.

8. Характерные неисправности СВАРН

При любых неисправностях СВАРН нарушается режим возбуждения.

Например, если СГ не возбуждается, то возможны обрыв цепи ОВГ или выпрямителя UZ1 или их повреждение.

Замкнутый в режиме пуска выключатель гашения поля QS закорачивает обмотку возбуждения генератора ОВГ и также исключает процесс самовозбуждения. Такие выключатели предназначены для снятия напряжения с обмотки возбуждения генератора в случае, если необходимо выполнить ремонтные работы при вращающемся роторе (например, прошлифовать кольца на роторе). Поскольку при этом отсутствует ток возбуждения, напряжение обмотки статора генератора также равно нулю.

При обрывах в цепях обмоток wн и wс , а также выпрямителей UZ1 и UZ2 напряжение холостого хода генератора будет пониженным.

При обрывах в цепи обмотки wу напряжение СГ будет повышенными и может достичь значения 430…450 В (заброс напряжения).

9. Параллельная работа синхронных генераторов

9.1 Особенности параллельной работы

Под параллельной понимают работу двух или более генераторов на общую сеть.

Необходимость в параллельной работе может возникнуть в следующих случаях:

1. если мощность одного генератора недостаточна для обеспечения заданного эксплуатационного режима работы судна;

2. при проходе узкостей, входе в порт и выходе из него, когда включение резервного генератора повышает живучесть СЭС и тем самым безопасность мореплавания;

3. при переводе нагрузки с одного генератора на другой с целью остановки одного из генераторных агрегатов для ТО, ремонта и др.

В настоящее время параллельная работа генераторов является основным режимом работы СЭС.

Отметим основные особенности параллельной работы генераторов:

1. обеспечивается бесперебойность в снабжении электроэнергией приемников путем включения резервного генератора взамен вышедшего из строя;

2. достигается наиболее полная загрузка генераторов путем своевременного отключения одного или нескольких из них при уменьшении общей нагрузки СЭС;

3. увеличиваются токи КЗ, в связи с чем, повышаются требования к электродинамической и термической устойчивости коммутационно-защитной аппаратуры;

4. усложняется система управления СЭС вследствие применения узлов синхронизации, распределения активных и реактивных нагрузок, защиты от перехода СГ в двигательный режим и др.

Регистр предъявляет следующие требования к генераторам, предназначенным для параллельной работы:

1. отношение номинальных мощностей генераторов не должно превышать 3:1 (в противном случае параллельная работа генераторов будет неустойчивой);

2. степень неравномерности активных и реактивных нагрузок генераторов не должна превышать ±10 % номинальных активной и реактивной мощностей меньшего из параллельно работающих генераторов.

Пропорциональное распределение активной нагрузки параллельно работающих генераторов обеспечивается применением функционально специализированных устройств распределения мощности (например, типа УРМ в системе "Ижора") или регуляторами частоты вращения ПД, а реактивной нагрузки - системами самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения совместно с устройствами статизма и уравнительными связями.

9.2 Понятия «перевод нагрузки» и «распределение нагрузки»

Параллельная работа генераторов используется для выполнения двух видов технологических операций, возникающих в процессе эксплуатации СЭЭС:

1. перевод нагрузки;

2. распределение нагрузки.

Под переводом нагрузки понимают действия персонала, имеющие конечной целью остановку работающего генераторного агрегата с целью последующей профилактики или ремонта.

Для перевода нагрузки с одного генератора на другой подготовленный к работе генератор включают на параллельную работу с работающим, после чего уменьшают нагрузку на работающем генераторе и одновременно увеличивают нагрузку на подключенном.

Процесс перевода нагрузки прекращают в тот момент времени, когда нагрузка на отключаемом генераторе уменьшится до нуля, после чего выключают его АВ и останавливают приводной двигатель.

Под распределением нагрузки понимают разделение общей нагрузки судовой электростанции между параллельно работающими генераторами. При этом нагрузку надо распределять прямо пропорционально номинальным мощностям генераторов.

Для распределения нагрузки подготовленный к работе генератор включают на параллельную работу с работающим, после чего уменьшают нагрузку на работающем генераторе и одновременно увеличивают нагрузку на подключенном.

Процесс распределения нагрузки прекращают в тот момент времени, когда нагрузка на каждом генераторе станет одинаковой, если генераторы имеют одинаковые номинальные мощности, либо прямо пропорциональной номинальной мощности каждого генератора.

При переводе и распределении нагрузки нагрузку изменяют:

1. у генераторов постоянного тока - изменением тока возбуждения;

2. у генераторов переменного тока:

а) активную нагрузку - изменением подачи топлива;

б) реактивную нагрузку - изменением тока возбуждения.

Для контроля перевода и распределения нагрузки используют щитовые электроизмерительные приборы, установленные на секции каждого генератора:

1. на постоянном токе - амперметры;

2. на переменном токе - киловаттметры (для активной нагрузки) и амперметры (для реактивной нагрузки).

Пример. Какой должна быть нагрузка на каждом из двух параллельно работающих генераторов, если их номинальные мощности Р= 320 кВт и Р= 400 кВт, а нагрузка электростанции Р = 576 кВт?

Решение:

1. коэффициент загрузки судовой электростанции:

k= = = 0,8

2. нагрузка первого генератора

Р= k* Р= 0,8*320 = 256 кВт

3. нагрузка второго генератора

Р= k* Р= 0,8*400 = 320 кВт

Проверка.

1. В сумме нагрузки первого и второго генератора должны дать значение, равное нагрузке электростанции, т.е.:

Р+Р= Р.

2. находим сумму нагрузок генераторов:

Р+ Р= 256 + 320 = 576 кВт

3. поскольку условие п.1 выполнено, нагрузка распределена правильно.

10. Синхронизация синхронных генераторов

10.1 Основные сведения

Подготовка СГ к включению на параллельную работу и сам процесс включения называются синхронизацией.

Существует три способа синхронизации:

1. точная;

2. грубая;

3. самосинхронизация.

Эти способы рассмотрены ниже.

10.2 Условия синхронизации синхронных генераторов

Для безударного включения СГ на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия синхронизации:

1. равенство напряжения Uсети и ЭДС Еподключаемого генератора, т. е. |U| = | Е|.

2. равенство частот сети f и подключаемого генератора f , т. е. f = f .

3. совпадение по фазе одноименных векторов фазных напряжений обоих генераторов, или, иначе, равенство нулю угла сдвига по фазе указанных векторов, т. е. ц = 0°.

4. одинаковый порядок чередования фаз 3-фазных генераторов, т.е. А- В -С и А-В- С. На практике это означает, что выводы А, В и С каждого генератора должны при включении на шины, подключаться к шинам соответственно А, В и С ГЭРЩ.

Объясним, как проверяется выполнение этих условий и что надо делать при их нарушении.

Для проверки выполнения первого условия используют вольтметр с переключателем, позволяющим поочередно измерить напряжение на шинах (сети) и на зажимах генератора, включаемого на шины.

Если напряжение подключаемого генератора больше (меньше) напряжения на шинах, то поступают так:

1. при ручном регулировании вручную уменьшают (увеличивают) ток возбуждения подключаемого генератора при помощи реостата возбуждения, рукоятка которого выведена на лицевую часть генераторной панели каждого генератора;

2. при автоматическом управлении уменьшают (увеличивают) ток возбуждения воздействием на регулятор уставки напряжения автоматического регулятора напряжения (АРН) генератора, рукоятка которого выведена на лицевую часть генераторной панели каждого генератора.

Для проверки выполнения второго условия используют частотомер с переключателем, позволяющим поочередно измерить частоту напряжения на шинах (сети) и на зажимах генератора, включаемого на шины.

Если частота тока подключаемого генератора больше (меньше) частоты тока на шинах, то у подключаемого генератора уменьшают (увеличивают) подачу топлива дизелю поворотом рукоятки управления серводвигателя в сторону «Меньше» («Больше»).

Эта рукоятка выведена на лицевую часть генераторной панели каждого генератора.

Для проверки выполнения третьего условия используют ламповый или стрелочный синхроноскоп. Включить генераторный автомат надо в момент, когда погаснут все 3 лампы (если синхроноскоп включен по схеме «на темноту»), либо верхняя (если синхроноскоп включен по схеме «на вращение огня»), либо если стрелка синхроноскопа займет положение «12 часов».

Проверка выполнения четвертого условия в процессе эксплуатации судна не делается. Это объясняется тем, что необходимый порядок подключения генераторов к шинам обеспечивают специалисты-электромонтажники судоверфи.

Поэтому судовым электромеханикам нет надобности, проверять выполнение этого условия.

Однако после выполнения ремонтно-профилактических работ, в ходе которых генератор отсоединялся от шин ГЭРЩ, проверка выполнения этого условия обязательна.

Если все условия синхронизации выполнены, то включение генератора на шины ГРЩ будет безударным, а сам генератор после включения останется работать в режиме холостого хода.

10.3 Последствия нарушений условий синхронизации

От того, какое именно условие не выполнено, зависят последствия нарушения условий синхронизации. Рассмотрим поочередно нарушение каждого из перечисленных условий.

1. При нарушении первого условия | U| ? | E|.

В этом случае в замкнутой цепи, образованной последовательно включенными через шины ГЭРЩ обмотками статоров СГ, возникнет т.н. уравнительный ток.

Этот ток, протекая через обмотки статоров обоих генераторов, подмагничивает генератор с меньшим напряжением и размагничивает генератор с большим напряжением.

В результате напряжения параллельно включенных генераторов выровняются.

Вместе с тем уравнительный ток нагружает обмотки статоров обоих генераторов, нагревая их и линии электропередачи между генераторами и не позволяя использовать генераторы по току полностью.

2. При нарушении второго условия синхронизации f ? f .

Сразу после включения генератора на шины возникнет переходный процесс, характер которого зависит от значения разности частот обоих генераторов.

Если разность частот менее 0,75 Гц, то после подключения генератора его ротор совершит несколько колебательных движений (качаний) с постепенно убывающей амплитудой и затем под действием собственной синхронизирующей мощности втянется в синхронизм.

После этого роторы обоих генераторов станут вращаться с одинаковой скоростью.

Если эта разность составляет несколько герц, ротор подключенного генератора может не войти в синхронизм, и будет перемещаться относительно ротора другого генератора.

Возникающие при этом механические толчки на валу могут привести к тому, что не только подключенный генератор не войдет в синхронизм, но могут выпасть из синхронизма другие параллельно работающие генераторы.

3. Последствия нарушения третьего условия (ц ? 0°) зависят от взаимного положения роторов в момент включения генератора на параллельную работу.

Рассмотрим 3 характерных случая:

а) генератор включен при положении стрелки синхроноскопа «без пяти минут 12 часов» (при этом стрелка синхроноскопа должна вращаться по часовой стрелке).

В этом случае он сразу же перейдет в генераторный режим и снимет часть нагрузки с работающего генератора.

При этом на валах обоих генераторов возникнут динамические моменты: тормозного характера у подключенного генератора и подкручивающего у работающего.

После этого надо постепенно подачу топлива увеличивать у подключенного генератора и одновременно уменьшать у работающего. В момент времени, когда показания киловаттметров обоих генераторов станут одинаковыми, надо перестать изменять подачу топлива.

б) генератор включен при положении стрелки синхроноскопа «пять минут после 12 часов».

В этом случае он сразу же перейдет в двигательный режим и добавит нагрузку на работающий генератор.

При этом на валах обоих генераторов возникнут динамические моменты: подкручивающий у подключенного и тормозной у работающего генератора.

В результате «подкручивания» подключенный генератор может пойти «вразнос» и будет отключен защитой по обратной мощности.

Если защита не сработала, что может быть при небольшом, неопасном значении обратной мощности подключенного генератора, надо сразу после включения начать увеличивать подачу топлива у подключенного генератора и уменьшать у работающего.

В момент времени, когда показания киловаттметров обоих генераторов станут одинаковыми, надо перестать изменять подачу топлива.

в) генератор включен на шины при положении стрелки синхроноскопа «6 часов».

В этом случае ротор подключенного генератора «перевернут» по отношению к ротору работающего.

При этом в замкнутой цепи, образованной последовательно включенными через шины ГЭРЩ обмотками статоров СГ, напряжение работающего генератора и ЭДС подключенного суммируются (совпадают по фазе).

Поскольку обмотки статоров имеют незначительное сопротивление, под действием двойного напряжения:

U+ E= 220 + 220 = 440В

в цепи возникнет ток короткого замыкания.

В результате отключится один или оба автоматических выключателя (в последнем случае судно обесточится).

Из сказанного следует, что процесс синхронизации генераторов - достаточно ответственный.

В соответствии с Правилами технической эксплуатации электрооборудования судов, именно вахтенный механик должен выполнять все действия, связанные с синхронизацией, переводом и распределением нагрузки при параллельной работе генераторов.

Судовой электромеханик включает на параллельную работу генераторы только в двух случаях - при использовании методов грубой синхронизации или самосинхронизации.

11. Методы синхронизации синхронных генераторов

Существует 3 метода синхронизации: точной, грубой и самосинхронизации. Каждый из методов может выполняться вручную, полуавтоматически или автоматически. На современных судах наиболее часто применяют метод точной синхронизации, реже - грубой синхронизации и крайне редко - самосинхронизации. Такое различие объясняется особенностями каждого способа.

11.1 Метод точной синхронизации

Суть метода состоит в том, что подключаемый генератор включается на шины ГРЩ с соблюдением всех условий синхронизации.

Выполнение первого условия на практике осуществляется автоматически, так как СГ снабжены системами самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения СВАРН (рис. 13).

Рис. 13. Принципиальная схема точной синхронизации

Равенство частот достигается подгонкой частоты подключаемого СГ к частоте работающего. Для этого на панели управления ГРЩ располагают реверсивные переключатели SB1 и SB2 , при помощи которых включают серводвигатель М1 или М2 регулятора частоты вращения подключаемого СГ в ту или иную сторону.

Визуальный контроль за выполнением первых двух условий (равенство напряжений и частот) на практике выполняется одновременно, поочередным подключением к каждому генератору вольтметра РV и частотомера РF переключателем S2.

Совпадение по фазе одноименных векторов фазных напряжений проверяется при помощи cтрелочного синхроноскопа ЕS и достигается при одинаковом положении роторов работающего и подключаемого генераторов по отношению к статорам. Для этого воздействуют короткими импульсами на серводвигатель регулятора частоты вращения подключаемого СГ, добиваясь момента, когда стрелка синхроноскопа расположится вертикально, напротив отметки на шкале прибора («на 12 часов»). В этот момент времени включают СГ на шины при помощи автоматического выключателя QF1 (QF2).

При точном соблюдении условий синхронизации включение СГ на шины будет безударным, а сам генератор после включения останется работать в режиме холостого хода.

После этого подключенный СГ нагружают активной нагрузкой, одновременно разгружая другой, для чего увеличивают подачу топлива (пара) у подключаемого ГА и одновременно уменьшают у другого.

Распределяют активную нагрузку пропорционально номинальным активным мощностям генераторов и контролируют при помощи киловаттметров РW1 и РW2, обычно включаемых через трансформаторы тока ТА1 и ТА2 и напряжения ТV4 и TV5.

Распределение реактивной нагрузки происходит автоматически путем воздействия систем самовозбуждения и автоматического регулирования напряжения СВАРН обоих генераторов на токи возбуждения. При этом ток возбуждения подключенного СГ автоматически увеличивается, а другого уменьшается.

Пропорциональность распределения реактивной нагрузки проверяется при помощи килоамперметров РA1 и РA2, т. е. косвенно, так как эти приборы показывают полные, а не реактивные токи генераторов. Если у двух однотипных СГ одинаковы показания киловаттметров РW1 и РW2 (т. е. одинаковы активные токи) и неодинаковы показания килоамперметров РA1 и РA2, значит, неодинаковы реактивные токи.

Из всего изложенного следует, что включение СГ на параллельную работу представляет собой довольно трудную задачу. Основная трудность заключается в определении момента совпадения по фазе напряжений СГ, включаемых на параллельную работу. Для определения указанного момента при автоматической точной синхронизации используют синхронизаторы, а при точной синхронизации вручную применяют синхроноскопы.

11.2 Синхроноскопы

На практике применяют синхроноскопы двух типов: на лампах накаливания и на основе сельсинов.

Ламповые синхроноскопы.

В ламповых 3-фазных синхроноскопах лампы накаливания включают по одной из двух схем: "на погасание" или "на вращение огня" (рис. 14).

В схеме "на погасание" каждая лампа НL1, НL2 и НLЗ включается между одноименными фазами сети и генератора (рис. 14, а).

Рис. 14. Схемы ламповых синхроноскопов на «погасание» (а) и «вращение огня»

Генераторный АВ включают в момент погасания ламп.

В схеме "на вращение огня" лампа НL включается между одноименными фазами, а лампы НL2 и НL3 - "накрест", т. е. между разноименными фазами генератора и сети (рис. 15, б).

Лампы загораются поочередно, причем частота "вращения огня" пропорциональна разности частот генератора и сети, а направление вращения определяется . знаком этой разности. По направлению "вращения огня" можно определить, как надо изменять частоту вращения подключаемого генератора, чего нельзя сделать при использовании схемы "на погасание".

Автоматический выключатель включают при погасании лампы НL1.

На судах, где применяется схема «на вращение огня», лампы синхронизации располагают в вершинах равностороннего треугольника, причем лампа НL1 расположена в верхней вершине треугольника.

Схема «на вращение огня» предпочтительнее, т.к. она, кроме определения необходимого момента включения генератора на шины (погасла лампа НL1), дополнительно позволяет определить соотношение скоростей вращения ПД обоих генераторов (т.е. у какого именно генератора скорость больше или меньше).

Рассмотрим характерные случаи, которые могут возникнуть в процессе синхронизации. Таких случаев - четыре.

1. В схеме на «погасание» все три лампы постоянно горят с одинаковым накалом.

Это означает, что роторы обоих генераторов вращаются с одинаковой скоростью, но занимают по отношению друг к другу неодинаковые положения. Такой режим работы генераторов называется «Синхронно-несинфазный».

Включать на шины подключаемый генератор нельзя.

В этом случае поступают так: увеличивают или уменьшают подачу топлива подключаемому дизель-генератору, добиваясь восстановления мигания ламп с минимальной частотой. В момент времени, когда все три лампы погаснут, включают АВ подключаемого генератора.

2. В схеме на «вращение огня» лампа, находящаяся в вершине треугольника ламп в верхней части генераторной секции, горит постоянным накалом.

Это свидетельствует о наступлении синхронно-несинфазного режима (см. выше).

В этом случае поступают так, как в предыдущем случае, т.е.: увеличивают или уменьшают подачу топлива подключаемому дизель-генератору, добиваясь восстановления «вращения огня». В момент времени, когда верхняя лампа погаснет, включают АВ подключаемого генератора.

3. При штатной схеме «на вращение огня» одновременное погасание ламп означает, что у подключаемого генератора нарушен порядок чередования фаз. Поэтому вместо схемы «на вращение огня» получилась схема «на погасание».

В этом случае надо перебросить на подключаемом генераторе два любых линейных провода, после чего убедиться, что штатная схема «на вращение огня» восстановилась.

4. Аналогично, если при штатной схеме на «погасание» получается «вращение огня», причина та же - нарушен порядок чередования фаз подключаемого генератора. В этом случае поступают так, как указано выше - надо перебросить на подключаемом генераторе два любых линейных провода, после чего убедиться, что штатная схема «погасание» восстановилась.

Стрелочные синхроноскопы.

Стрелочный синхроноскоп электромагнитной системы типа Э1605 изображен на рис. 15.

Рис. 15. Синхроноскоп электромагнитной системы: а - схема механизма; б - принципиальная схема

Неподвижная часть измерительного механизма синхроноскопа типа Э1605 электромагнитной системы (рис. 15, а) состоит из трех катушек. Катушки 3, 5 имеют форму рамок, расположенных под углом 120° одна относительно другой. Третья катушка 4 цилиндрической формы расположена внутри катушек 3, 5.

Подвижная часть прибора изготовлена в виде оси 1, к которой прикреплены сердечники-лепестки 2, 6 из тонких пластин электротехнической стали. Ось и сердечники-лепестки образуют 2-образную конструкцию. Катушки 3 и 5 включены на 3 фазы синхронизируемого генератора (рис. 15, б) и создают вращающийся магнитный поток, частота вращения которого пропорциональна электрической частоте генератора.

Катушка 4, на которую подается линейное напряжение сети (второго генератора), создает пульсирующий магнитный поток. В приборе возникает суммарное эллиптическое магнитное поле, которое намагничивает подвижную часть прибора. При неравенстве частот сети и генератора ось эллиптического магнитного поля и подвижная часть прибора вращаются с угловой скоростью, пропорциональной разности частот. Направление вращения зависит от знака скольжения.

При равенстве частот ось суммарного магнитного потока и ось прибора неподвижны.

Совпадению по фазе векторов напряжений генератора и сети соответствует только одно положение подвижной части прибора, отмеченное вертикальной чертой посередине шкалы прибора.

По одну сторону от черты имеется надпись "Быстрее", по другую - "Медленнее". Если стрелка прибора вращается в сторону надписи "Быстрее", надо уменьшить частоту вращения подключаемого генератора и наоборот. В момент совмещения стрелки с вертикальной чертой включают АВ генератора.

Если стрелка прибора неподвижна и не находится на вертикальной отметке, это свидетельствует о наступлении синхронно-несинфазного режима работы генератора (режим "зависания").

Суть этого режима состоит в том, что роторы обоих генераторов вращаются с одинаковой скоростью (синхронно), но занимают по отношениям к статорным обмоткам генераторов разные положения (векторы ЭДС обоих генераторов не находятся в фазе).

В этом случае необходимо увеличить или уменьшить подачу топлива (пара) ПД подключаемого генератора, после чего добиться момента, когда стрелка синхроноскопа займет вертикальное положение, и включить АВ этого генератора.

11.3 Метод грубой синхронизации

Метод заключается в том, что генератор подключают на шины ГРЩ не прямо, как при точной синхронизации, а через токоограничивающее реактивное сопротивление X, включенное в каждую фазу (рис. 16, а). Это сопротивление называется реактором.

Грубую синхронизацию выполняют в следующем порядке:

1. уравнивают частоты и напряжения СГ, что проверяют при помощи частотомера РF и вольтметра РV;

2. в произвольный момент времени замыкают контакт КМ2 (КМ1), тем самым включая генератор G2 (G1) на шины ГРЩ через реактор x;

3. через несколько секунд, в течение которых генератор втягивается в синхронизм, включают АВ QF2 (QF1) и размыкают контакт КМ2 (КМ 1).



Рис. 16. Схемы грубой синхронизации (а) и замещения для одной фазы (б)

Поскольку включение генератора на шины выполняют в произвольный момент времени, роторы СГ, а значит, векторы напряжения сети Ы и ЭДС З подключаемого генератора в момент включения могут занимать любое взаимное положение.

Поэтому включение СГ сопровождается бросками тока и механическими ударами на валу, которые ограничиваются реактором до безопасных значений. Сам же метод иногда называют методом несинхронного включения СГ.

Сопротивление реактора рассчитывают исходя из наиболее тяжелого случая включения, когда положение роторов СГ отличается на 180°. При этом векторы Ы и ЭДС З в контуре, образованном статорными обмотками генераторов, совпадают по фазе, т. е.:

Ы + З ? 2 Ы .

Тогда наибольшее значение тока в момент включения определится по схеме замещения (рис. 16, б):

I= 2 U / (x+ x+ x)? (2,5…3,5) I,

где I- номинальный ток генератора.

На многих судах грубая синхронизация СГ выполняется полуавтоматически: уравнивание напряжений генераторов обеспечивают автоматические регуляторы напряжения, примерное уравнивание частот выполняет оператор (электромеханик или вахтенный механик), а выбор момента включения генератора на шины при:

Ы + З = 0

обеспечивает аппаратура схемы синхронизации.

К достоинствам метода можно отнести простоту, надежность и непродолжительность.

Метод допускает погрешность при уравнивании напряжений генераторов до ±10 % номинального и частот до ± (3-4) % номинальной.

При правильном расчете и выборе реактора втягивание включенного генератора в синхронизм происходит в течение 1,5-3,0 с, а провал напряжения не превышает 20 % номинального.

Процесс синхронизации длится недолго, поэтому реактор рассчитывают на непродолжительную работу. Сопротивление реакторов зависит от мощности синхронизируемых СГ и обычно составляет несколько Ом, а масса - десятки килограммов.

Генераторы синхронизируются с сетью поочередно, поэтому для их включения на шины ГРЩ используют один и тот же реактор.

11.4 Метод самосинхронизации

При самосинхронизации (рис. 17) подключаемый СГ разгоняют до частоты вращения, отличающейся от синхронной на 2-5 %. Обмотка возбуждения генератора ОВГ отключена от источника возбуждения (разомкнут контакт КМ2) и замкнута на разрядный резистор R(замкнут контакт КМ1).

В произвольный момент времени невозбужденный генератор при помощи автоматического выключателя QF2 подключают на шины и одновременно или с незначительной задержкой подают возбуждение (замыкается контакт КМ2 и размыкается КМ1).

Далее генератор втягивается в синхронизм под действием синхронизирующей мощности Р.

В момент включения на шины ЭДС невозбужденного генератора Е= 0, поэтому максимальное значение тока включения будет вдвое меньше максимального тока при синхронизации возбужденного генератора и составит (2,0-4,5) I.

Рис. 17. Схема самосинхронизации

Провалы напряжения достигают 50 % номинального, а втягивание в синхронизм заканчивается через несколько секунд после включения СГ на шины.

Разрядный резистор Rпредназначен для исключения перенапряжений в обмотке возбуждения ОВГ в момент включения СГ на шины.

Метод самосинхронизации прост и непродолжителен по времени. Недостатками метода являются провалы напряжения и удары на валу генераторов. Поэтому самосинхронизация может применяться в СЭЭС, включенная мощность которых значительно превышает мощность единичного СГ (например, в гребных электрических установках).

12. Синхронизаторы

12.1 Основные сведения

Электротехническое устройство, предназначенное для автоматического включения синхронного генератора на параллельную работу (на шины), называется синхронизатором.

Синхронизаторы обеспечивают практически безударное включение СГ на шины методом точной синхронизации.

Существующие АС допускают включение СГ при неточном выполнении условий синхронизации, что позволяет ускорить процесс синхронизации и одновременно упростить схему самого АС.

Синхронизация считается возможной, если отклонения от условий синхронизации имеют такие значения:

1. разность напряжений генератора и сети ДU < (0,10…0,12) Uном (при напряжении на шинах 400 В напряжение подключаемого генератора может составлять 360…352 В);

2. разность частот Дf < (0,005…0,015) fном (при частоте 50 Гц на шинах частота тока подключаемого генератора может составлять 49,75…49,25 Гц);

3. угол сдвига фаз одноименных векторов фазных напряжений генератора и сети ц < 10°.

В СЭЭС напряжение генераторов поддерживается постоянным при помощи АРН. Поэтому на долю аппаратуры, осуществляющей синхронизацию, остаются процессы подгонки частоты и определение момента выдачи сигнала на включение АВ генератора. Этот сигнал надо подавать с некоторым опережением по времени (tоп) относительно момента совпадения фаз, потому что АВ генератора имеет собственное время срабатывания (tавт).

По принципу действия различают два вида АС:

1. с постоянным временем опережения;

2. с постоянным углом опережения.

На практике нашли применение АС первого типа, которые, вне зависимости от разности частот обоих генераторов, выдают сигнал на включение АВ генератора всегда с одним и тем же временем опережения tоп, равным времени срабатывания tавт автоматического выключателя подключаемого генератора.

При соблюдении этого условия (tоп = tавт) включение генератора на шины получается безударным («мягким»).

В качестве примера рассмотрим автоматический синхронизатор типа БСГ.

12.2 Блок синхронизации генераторов типа БСГ

Блок входит в состав СУ СЭЭС типа "Ижора-М" и предназначен для включения СГ на параллельную работу методом точной синхронизации с предварительной автоматической подгонкой частоты подключаемого генератора к частоте работающего (рис. 18).

Рис. 18. Функциональная схема блока синхронизации БСГ

Блок выдает сигнал на включение АВ при разности напряжений генераторов ДU < 0,12 Uном (при ДU = 0,12*400 = 48В допускаемое напряжение включения составляет не менее 352 В), разности частот Дf = 0,2 Гц…0,6 Гц (т.е. допускаемая частота составляет не менее 49,8…49,4 Гц) и угле сдвига фаз одноименных векторов напряжений генераторов ц < 10°.

Элементной базой блока в основном являются микросхемы (логические элементы, генераторы импульсов, счетчики, дешифраторы, триггеры и др.).

Рассмотрим устройство блока и взаимодействие его отдельных узлов (рис. 18).

Напряжение работающего генератора G1 подается на трансформаторы ТV1 и ТVЗ, подключаемого G2 - на трансформатор ТV2.

Пониженное трансформатором ТVЗ напряжение поступает на узел питания УП, с выхода которого стабилизированное напряжение +5В и нестабилизированное + 27 В подается на остальные узлы схемы.

С выходов трансформаторов ТV1 и ТV2 напряжения поступают на вход узла УСН сравнения напряжений и входы формирователей Ф1 и Ф2.

При ДU > 0,12 Uном с выхода узла УСН на вход узла УС синхронизации поступает запрет на синхронизацию в виде логического нуля.

Формирователи Ф1 и Ф2 напряжения предназначены для получения импульсов напряжений двух видов: длинных (продолжительность равна половине периода напряжения генератора), коротких (продолжительность определяется параметрами схемы формирователя). Частоты импульсов обоих видов одинаковы и равны частоте работающего (подключаемого) генератора. Импульсы 1-го вида поступают на вход узла УС, 2-го - на вход узла УПЧ подгонки частоты.

Кварцевый генератор UZ вырабатывает импульсы стабильной частоты 100 кГц, поступающие на вход триггера DТ, работающего в режиме делителя частоты. С выхода триггера импульсы частотой 50 кГц поступают на входы узлов УС и УПЧ.

Узел УУ установки предназначен для приведения всех триггеров БСГ в необходимое исходное состояние при включении питания блока.

Узел подгонки частоты вырабатывает сигналы на увеличение или уменьшение частоты подключаемого генератора, а при достижении допустимой разности частот выдает сигнал "Дf в норме" в виде логической единицы, поступающей на вход узла УС.

Узел синхронизации выдает сигнал на включение АВ генератора при условии, что значения разности напряжений ДU и частот Дf, а также угла ц сдвига фаз напряжений генераторов находятся в установленных пределах.

Для повышения надежности схемы синхронизации в ней используется 2 блока БСГ, выходы которых в виде замыкающих контактов электромагнитных реле включены по схеме совпадения И, т. е. последовательно. Поэтому включение генератора на шины возможно при условии, что оба блока одновременно выдадут одинаковые сигналы на включение генератора.

13. Распределение активной нагрузки

13.1 Основные сведения

Если включить СГ на параллельную работу с соблюдением перечисленных выше условий, он останется работать в режиме холостого хода.

Поэтому вслед за включением генератора на шины его надо нагрузить, при этом распределяя нагрузку между включенными СГ пропорционально их номинальным активным мощностям.

Распределение активной нагрузки осуществляют путем изменения подачи топлива (пара), т. е. по регуляторным характеристикам ПД. Равномерность распределения зависит от наклона (статизма) характеристик (рис. 19).

Рис. 19. Регуляторные характеристики приводных двигателей СГ при распределении активных нагрузок

Предположим, что для каждого из двух приводных двигателей по отдельности были сняты регуляторные характеристики 1 и 2, которые изображены на рис. 19.

После включения генераторов на параллельную работу их угловые скорости должны быть одинаковы и равны, например, номинальной угловой скорости щном. Напомним, что если угловые скорости приводных двигателей неодинаковы, то, значит, неодинаковы частоты тока генераторов (например, f1 ? f 2, 49 ? 51 Гц), что недопустимо при параллельной работе.

Как следует из рис. 19, одинаковой угловой скорости щном соответствуют разные значения активной мощности генераторов, а именно: для генератора со статической характеристикой 1 это значение равно Р, а для генератора с характеристикой 2 - Р (чтобы найти эти значения мощности, надо при значении скорости щ = щном провести вспомогательную горизонтальную прямую до ее пересечения с характеристиками 1 и 2, а затем эти точки пересечения спроектировать на горизонтальную полуось активных мощностей).

При этом меньшему наклону (меньшему статизму) характеристики соответствует большая активная нагрузка генератора, что следует из сравнения регуляторных характеристик 1 и 2.

Таким образом, при одинаковой (номинальной) частоте вращения щ активная нагрузка 1-го генератора составляет Р, а второго - Р,причем Р> Р.

Для того чтобы распределить активные нагрузки и в то же время оставить частоту генераторов неизменной, надо увеличить подачу топлива (пара) на ГА, имеющий меньшую нагрузку, и одновременно уменьшить подачу топлива (пара) на ГА большей нагрузкой.

При этом регуляторные характеристики переместятся параллельно самим себе: характеристика 2 второго ГА вверх, а характеристика 1 первого ГА вниз.

Изменение подачи топлива (пара) следует прекратить в момент, когда характеристики пересекутся в точке А. Каждый генератор будет нагружен одинаковой мощностью:

Р= (Р + Р) / 2.

13.2 Системы распределения активной нагрузки с базовым генератором

Важной особенностью систем автоматического распределения активной нагрузки является выделение так называемого базового генератора, у которого исключают воздействие серводвигателя на топливную рейку дизеля. По этой причине положение регуляторной характеристики базового генератора не изменяется.

Выделение базового генератора связано с тем, что без него частота системы из нескольких параллельно работающих СГ становится неопределенной и произвольно изменяется в обе стороны от номинальной. Переходный процесс становится колебательным, а работа системы распределения нагрузки - неустойчивой.

По отношению к базовому остальные генераторы являются подстраиваемыми.

Рис. 20. Система автоматического распределения активных нагрузок СГ: а - структурная схема; б - регуляторные характеристики приводных двигателей СГ

При автоматическом распределении активной нагрузки (рис. 20, а) используют датчики активного тока В1 и В2, подключаемые к генераторам через трансформаторы напряжения ТV1 и ТV2 и трансформаторы тока ТА1 и ТА2.

Выходы этих датчиков соединены последовательно, а напряжения на выходах направлены встречно. Такой способ соединения выходов называют дифференциальной схемой.

Результирующий сигнал в виде напряжения определенного значения и полярности поступает на вход усилителя А2, на выход которого подключен серводвигатель М2 приводного двигателя подстраиваемого генератора G2.

Серводвигатель М1 приводного двигателя базового генератора G1 не связан с усилителем А2, что исключает воздействие на него со стороны системы автоматического распределения активных нагрузок.

В исходном состоянии базовый G1 и подстраиваемый G2 генераторы нагружены каждый мощностью P, т. е. общая нагрузка составляет 2PЭтому состоянию соответствует точка А (рис. 20, б).

При увеличении общей нагрузки до значения (Р + Р) угловая скорость обоих генераторов уменьшится до щи нагрузка базового генератора составит Р, подстраиваемого - Р.

Равновесие между напряжениями на выходах датчиков В1 и В2 нарушится, поэтому серводвигатель М2 начнет уменьшать подачу топлива дизеля ПД2.

Регуляторная характеристика 2 подстраиваемого генератора переместится вниз и займет положение характеристики 2'.

Новое состояние равновесия наступит в точке В пересечения характеристик 1 и 2'. При этом положение регуляторной характеристики базового генератора не изменилось.

Каждый генератор нагружен одинаковой мощностью:

Р= (Р + Р) / 2.

Угловая скорость обоих генераторов также одинакова и составляет щ.

Наличие зон нечувствительности регуляторов частоты вращения ПД генераторов приводит к тому, что нагрузки параллельно работающих генераторов распределяются с некоторой погрешностью ДР, значение которой не должно превышать ±10 % номинальной активной мощности наибольшего генератора.

13.3 Системы распределения активной нагрузки с повышенной точностью регулирования скорости

Недостатком рассмотренной выше системы автоматического распределения активной нагрузки (рис. 20) является изменение частоты вращения СГ при изменении нагрузки.

Рис. 21. Регуляторные характеристики приводных двигателей при распределении активных нагрузок СГ с сохранением частоты

Если требуется повышенная стабильность частоты, серводвигатель М1 приводного двигателя ПД1 генератора G1 включается через усилитель А1 на датчик частоты В (рис. 20, а).

Пусть в исходном состоянии общая нагрузка СЭС составляет 2 P, регуляторные характеристики 1 и 2 пересекаются в общей точке А.

...