Судовые схемы ГЭУ переменного тока с ЕСЭ

Для отечественного рыболовного флота построены морозильные суда и большие морозильные рыболовные траулеры с ДЭГУ, предназначенными для питания как ГЭД, так и всех остальных потребителей.

На морозильном судне «Октябрьск» отечественной постройки установлены четыре ДГ переменного тока 400В, 700кВт и синхронный ГЭД мощностью 2400кВт, который приводит во вращение гребной винт регулируемого шага (ВРШ). Схема электростанции приведена на рисунке 13.1. Пуск ГЭД осуществляется при пониженной частоте 20Гц от двух любых генераторов, включенных на шины электродвижения. Лопасти ВРШ находятся в нулевом положении и потребляемая ГЭД мощность – минимальна. Пониженной частоте вращения генераторов соответствует значительный статизм регуляторов частоты дизелей, в связи с этим один из генераторов может перейти в двигательный режим и всю нагрузку будет нести второй ДГ. В результате его мощность окажется недостаточной для пуска ГЭД. Поэтому перед пуском ГЭД необходимо его вал проворачивать валоповоротным устройством для уменьшения трения покоя и обеспечения пуска.

На БМРТ «Север» установлены три генератора по 700кВт и синхронный ГЭД с ВРШ мощностью 1500кВт. Схема электростанции приведена на рисунке 40.2. Пуск ГЭД осуществляется от одного ДГ при нулевом развороте ВРШ и 20Гц.

На траулере-заводе «НаталияКовшова» построенном во Франции по заказу СССР, единая электростанция. Для питания судовой сети и синхронного ГЭД установлены три ДГ по 2100кВА при 0,8 ,напряжением 2кВ, частотой вращения 500об/мин с успокоительными обмотками. Для удобства расположения в корме судне, повышения надежности и упрощения пуска применен двухякорный синхронный ГЭД, который приводит во вращении ВРШ. Мощность каждого якоря 1470кВт, напряжение 2кВ, частота вращения 187,5об/мин, 1

Судовая сеть питается от общих шин напряжением 2кВ через два понижающих трансформатора ТС1 и ТС2. Во время стоянки судовая сеть получает питание от ДГ мощностью 340кВА с частотой вращения 500об/мин, подключенного к шинам 380В. Имеется также АДГ на 90кВА, 1500об/мин, 380В. Генераторы и ГЭД имеют тиристорные возбудители, присоединенные к клеммам машин через согласующие трансформаторы ТД или ТГ. Возбудители подключаются к обмоткам возбуждения генераторов контакторами КВД и КВГ. Когда генераторы включены на шины судовой сети(2кВ), напряжение поддерживается регуляторами напряжения, которые действуют по отключению через системы управления ТВГ, имеющего звено распределения реактивной нагрузки. Активная нагрузка распределяется регуляторами частоты дизелей, имеющими звено, связанное с измерителем активной мощности. Система возбуждения ГЭД снабжена регулятором, автоматически поддерживающим коэффициент мощности двигателя равным 1.

Во время пуска ГЭД один из генераторов подключается к шинам ГЭД. Возбудитель генератора не обеспечивает необходимой форсировки возбуждения при пониженной частоте (25Гц). Поэтому у всех генераторов обмотки возбуждения могут подключаться контакторами форсировки Фк неуправляемым выпрямителям ВФ, которые включены через согласующие трансформаторы на шины 380В. Эти же выпрямители используются для начального возбуждения через сопротивление, которое затем шунтируется. Защита генераторов и ГЭД осуществляется автоматически выключателями с воздействием на гашение магнитного поля. На всех судах с ЕСЭ и ВРШ в случае перегрузки генераторов автоматически отключаются второстепенные потребители и автоматически уменьшается шаг ВРШ.

Килевая качка судов периодически изменяет момент сопротивления на гребном винте и нагрузку ГЭД., что часто сказывается на периодическом изменении частоты вращения ДГ, частоте и напряжении сети. Для устранения этого явления судовые потребители могут питаться через преобразователи, напряжение и частота на выходе которых стабилизируется автоматической системой управления.

Большое количество траулеров, построенных в ряде стран, используют установки переменного тока с высокооборотными асинхронными короткозамкнутыми ГЭД, работающими на винт регулируемого шага (ВРШ) через редуктор.

Например, у траулера «Марселина Циризо» при мощности на валу свыше 1,5 МВт используются синхронные ГЭД, позволяющие повысить КПД и коэффициент мощности всей системы. Применяются также системы с полюсопереключаемыми асинхронными ГЭД. В режиме малых скоростей ВРШ имеет худший по сравнению с ВФШ пропульсивный КПД. В предлагаемой установке ГЭД при работе на 4х полюсных обмотках передает на винт через редуктор мощность 1470кВт при скорости вращения 1480об/мин, а при работе на 6 полюсных обмотках 880кВт при скорости вращения 980об/мин. Соответствующее регулирование разворота лопастей ВРШ при работе на 6-ти полюсных обмотках позволяет увеличить момент на винте на 10% и более, полно загружать дизель–генераторы на пониженных скоростях хода судна в особенности в режиме траления. Высокая стоимость и меньшая надежность ВРШ обуславливает поиск путей построения электроэнергетической установки с ГЭД переменного тока и ВФШ. Один из таких вариантов был использован при постройке японских тунцеловных судов. В такой установке применено каскадное включение асинхронного ГЭД с фазовым ротором. Энергия скольжения ротора этого двигателя при регулировании скорости вращения 3:1 возвращалась в сеть с помощью преобразователя, ГЭД связанный с валом через редуктор был рассчитан на мощность 3160кВт при напряжении 3,3кВ и частоте 50Гц.

53 ГЭУ парома-ледокола типа "А. Коробицын"

Системы управления ГЭУ судов довольно разнообразны. Автомобильно - пассажирские ледокольные паромы типа "Андрей Коробицын" построены на судостроительном заводе им.А.А.Жданова в Санкт-Петербурге. В контур неизменного тока парома включены два гребных электродвигателя типа ПГ 178-8к (900 кВт), три главных генератора типа ГПМ 84/44-8-2 (760 кВт) и электродвигатель подруливающего устройства типа ПСГ 152-8к(370кВт).

Для приведения в действие главных машин служат два пяти-машинных возбудительных агрегата, каждый из которых состоит из трёх электромашинных усилителей типа ЭМУ-200 (для возбуждения ГЭД), одного электромашинного усилителя типа ЭМУ-400 (для возбуждения главных генераторов) и приводного электродвигателя.

Системы неизменного тока поддерживают постоянство тока в главной цепи гребной электрической установки с целью обеспечения независимого действия электродвигателей, питающихся от одних и тех же генераторов. Для этого главные генераторы, гребные электродвигатели и электродвигатели специальных механизмов (например, электродвигатели подруливающего устройства на паромах, электродвигатели грунтозаборных насосов на земснарядах и т.д.) соединены в один общий контур. При этом электродвигатели расположены на разных валах.

В гребных установках неизменного тока напряжение генератора распределяется между электродвигателями, находящимися на разных гребных валах, согласно уравнению (рассматривается случай с двумя электродвигателями):

.

При этом доля напряжения, приходящегося на каждый из якорей, зависит от момента сопротивления на валу электродвигателя и от его магнитного потока.

В системе неизменного тока генераторы имеют внешнюю характеристику, показанную на рисунке 5.10. Работа генератора характеризуется вертикальной частью зависимости.

При характеристике генератора подобного вида регулирование скорости и реверс электродвигателя осуществляются изменением величины и направления его магнитного потока. Управление скоростью вращения электродвигателей в системе неизменного тока производится путем регулирования потока возбуждения ГЭД, рисунок 5.11.

53 Автоматическая система неизменного тока парома представлена на рисунке 14.1. Для поддержания постоянства тока главной цепи используется статический регулятор тока, состоящий из звена сравнения ЗС и двухкаскадного усилителя, включающего в себя промежуточный однотактный магнитный усилитель ПМУ и электромашинный усилитель ВГГ. Регулятор тока создает падающие внешние характеристики генераторов для двух значений 1550 А и 500 А.

В звене сравнения напряжение , пропорциональное току главной цепи, сравнивается с эталонным напряжением , определяющим значение главного тока. Величина эталонного напряжения меняется с помощью резистора 39 СД в зависимости от положения рукояток постов управления. Разность напряжений является выходным сигналом звена сравнения. Этот сигнал усиливается двухкаскадным усилителем до величины, достаточной для управления возбуждением генератора.

Магнитный усилитель является нелинейным звеном с характеристикой типа реле. Благодаря наличию в цепи регулятора тока элемента сравнения и нелинейного магнитного усилителя система неизменного тока работает с токовой отсечкой.

Трансформатор постоянного тока (ТПТ) с вспомогательным устройством измерения (ВУИ) является измерительным элементом звена сравнения. Он представляет собой дроссель насыщения, который подмагничивается шиной главной цепи, проходя­щей через окно магнитопровода трансформатора.

Отрицательная обратная связь (ООС2) служит для повышения устойчивости системы и точности поддержания величины тока главной цепи. Коэффициент усиления магнитного усилителя определяется соотношением активных сопротивлений дросселя и резистора, включенного в цепь обмотки обратной связи.

В статических режимах общее сопротивление дросселя определяется в основном его активным сопротивлением, при этом коэффициент усиления ПМУ наибольший. В переходном процессе общее сопротивление дросселя возрастает за счет увеличения его индуктивного сопротивления. Соотношение общих сопротивлений дросселя и резистора изменяется, что приводит к усилению токовой отрицательной обратной связи и, следова­тельно, к уменьшению коэффициента усиления магнитного усилителя в переходном процессе и повышению устойчивости всей системы.

Гибкие обратные связи (ООС/ и ООСЗ), создаваемые с помощью стабилизирующих трансформаторов напряжения (СТН) и тока (СТТ), служат для стабилизации системы и улучшения качества переходного процесса.

Обмотка смещения возбудителя генераторов необходима для согласования характеристик возбудителя и усилителя ПМУ. Дифференциальные; обмотки ДОВД служат для формирования механической характеристики электродвигателя. С их помощью осуществляется отрицательная обратная связь с отсечкой по скорости вращения ГЗД. Они включены на напряжение тахогенератора (ТГ) последовательно со стабилитроном (СТ). На полном ходу превышает значения напряжения стабилизации . При этом через задающие обмотки возбудителя двигателя (ЗОВД) протекают токи, создающие размагничивающие ампер-витки по сравнению с ампер-витками задающих обмоток.

При изменении нагрузки на гребном винте изменяется скорость вращения электродвигателя и, благодаря изменению , изменяется магнитный поток и, следовательно, вращающий момент электродвигателя. Мощность, потребляемая при этом двигателем, остается примерно постоянной.

С увеличением нагрузки на винте снижается скорость вращения электродвигателя и, следовательно, напряжение тахогенератора . Когда скорость вращения снизится настолько, что напряжение будет равно или меньше напряжения , стабилитрон практически перестанет проводить ток и обратная связь по скорости перестанет действовать ( ).

Когда величина тока электродвигателя достигнет номинального значения, можно перейти от регулирования при примерно постоянной мощности к регулированию при примерно постоянном моменте.

Для создания вращающих моментов электродвигателей, достаточных для преодоления сопротивления гребных валов при страгивании судна с места, служит схема форсировки электродвигателей.

При скорости.электродвигателя, равной нулю магнитный усилитель БМР, работающий в релейном режиме, включает: реле форсировки РФД, которое своим контактом шунтирует сопротивление в цепи обмоток ЗОВД, благодаря чему подается полный магнитный поток, обеспечивающий форсировку пусковою момента электродвигателя. При достижении некоторых малых оборотов реле БМР отключает реле РФД.

Условия эксплуатации парома характеризуются стесненной акваторией плавания, а в зимний период затрудняется тем, что фарватер забит крупным и мелким льдом (шугой), который часто заклинивает гребной винт и замедляет разгон гребных электродвигателей. Учитывая это, применение гребной электрической установки неизменного тока является единственно правильным решением, т.к. она обеспечивает высокие маневренные качества, необходимые в указанных условиях плавания.

Но, как показывает опыт эксплуатации парома, гребная установка не лишена некоторых недостатков. При пуске и реверсах ГЭД наблюдаются большие колебания тока главной цепи (заброс до 1900 - 2000 А с последующим провалом до 900 - 1000 А при номинальном токе главной цепи 1460 А). В случае попадания льдин под винт наблюдаются броски тока главной цепи большие, чем при пусках и реверсах (до 2800 - 3200 А), что приводит к кратковременной перегрузке дизель-генераторов, а иногда к срабатыванию максимальной защиты и отключению всей установки. Дизель-генераторы при перегрузке несколько теряют свою скорость, что приводит к кратковременным провалам напряжения и частоты навешенных генераторов, несмотря на наличие у них регуляторов напряжения. Эти провалы оказывают влияние на скорость работающих судовых электроприводов. В статических режимах наблюдаются автоколебания тока главной цепи, обусловленные неудовлетворительной работой системы стабилизации тока

54 ГЭУ морских паромов типа "Сахалин"

Морской паром "Сахалин" предназначен для перевозки же­лезнодорожных составов и других транспортных средств. В энергетическую установку парома входит шесть главных дизель-генераторов 14Д-100 с 1енераторами постоянного тока ГП-ЗОбА мощностью по 180 кВт и напряжением 500 В при скорости вращения 84,8 рад/с (810 об/мин) и два гребных электродвигателя (носовой и кормовой) постоянного тока, двухъякорных, типа 2ПП-2160-6К, мощностью 2х 2850 кВт, напряжением на якоре 1000 В, скоростью вращения 15,5/24,3 рад/с (144/230 об/мин).

Для питания судовых потребителей в ходовом режиме предусмотрены четыре генератора переменного трехфазного тока типа МС99-818 мощностью по 500 кВт, напряжением 400 В, скоростью вращения 78,5 рад/с (750 об/мин), имеющих привод от главных дизель-генераторов. При этом мощность главного генератора, работающего на схему ГЭУ, составляет 1200 кВт.

Схемы главного тока обоих ГЭД одноконтурные, с попеременно-последовательным соединением генераторов и якорей ГЭД, рис. 14.2.

Схемы возбуждения и управления обоих ГЭД действуют по одинаковому принципу. Возбудители главных машин конструктивно объединены в три трехмашинных агрегата, каждый из которых состоит из возбудителя главных генераторов (ВГГ), возбудителя ГЭД (ВД) и приводного электродвигателя. Обмотка независимого возбуждения ВГГ питается от сети постоянного тока 220 В через задатчики мощности, а токовая обмотка ВГГ подключена на падение напряжения в обмотках дополнительных полюсов носового ГЭД.

Обмотки параллельного возбуждения якорей гребного электродвигателя получают питание от возбудителя ВД. Сопротив­ление, включенное последовательно с обмоткой возбуждения ВД, служит для ослабления магнитного потока якорей ГЭД в экономических режимах при меньшем количестве генераторов, питающих гребные электродвигатели.

Скорость вращения ГЭД изменяется с помощью регулирования напряжения генераторов, которое происходит путем изменения тока возбуждения в независимой обмотке ВГГ, а также с помощью ступенчатого изменения скорости вращения дизелей при наборе схемы главного тока гребной электроустановки.

Направление вращения ГЭД изменяется в результате изменения направления тока главной цепи при той же полярности в цепи возбуждения гребного электродвигателя.

Анализ работы схемы показывает, что она действует по отклонению регулируемой величины от номинального значения. Влияние возмущающих факторов не учитывается в системе автоматического управления скоростью вращения ГЭД и напряжения главных генераторов ГЭУ.

55 ГЭУ линейных ледоколов типа "Ермак"

Схема управления током возбуждения главных генераторов работает следующим образом. Действительное значение тока возбуждения измеряется с помощью трансформатора на стороне переменного тока и выпрямляется преобразователем переменного тока. Поэтому полярность измеряемого тока всегда одинакова и независима от направления тока в обмотке возбуждения генератора. Ток заданной величины поступает из цепи управления на знакоинвертор. Так как полярность тока возбуждения генераторов определяется заданным направлением движения судна или направлением вращения генераторов, знакоинвертор задает требуемую полярность сигнала в зависимости от положения транзисторного переключателя, который управляется с помощью логической схемы реверсирования. Заданный сигнал усиливается ре­гулирующим усилителем и поступает на один из двух формирователей управляющих импульсов. В зависимости от полярности сигнала включается тиристорный возбудитель для входа "вперед" или "назад".

Управление током главной цепи происходит следующим образом. Сигнал задающей величины тока поступает от схемы регулирования мощности или скорости вращения. Действительное значение тока измеряется с помощью шунта главной цепи и преобразователем действительного значения тока. Далее перед поступлением на регулирующий усилитель оно может корректиро­ваться командным прибором главного механика. Мощность ГЭД определяется путем перемножения действительных значений напряжения генератора и тока главной цепи. Множитель образует действительное значение мощности, которое сравнивается с заданным.

Для управления током возбуждения ГЭД действительное его значение измеряется трансформатором, затем преобразуется измерительным преобразователем переменного тока и поступает на регулирующий усилитель тока возбуждения. Задаваемое значение тока возбуждения поступает через избиратель на этот же регулирующий усилитель из источника заданного значения основ­ного магнитного потока или через функциональные цепи усиления потока в зависимости от того, какое из них больше по абсолютной величине. Заданное значение магнитного потока ГЭД может изменяться в зависимости от установленной величины скорости вращения первичных двигателей и от количества включенных главных генераторов.

Величина же сигнала из функциональной цепи усиления по­тока зависит от силы тока главной цепи: если она превышает установленный предел, то ток возбуждения гребных электродвигателей увеличивается. Величина, пропорциональная току главной цепи, сравнивается с предельным значением начала усиления магнитного потока.

Анализ работы схем управления тока возбуждения генераторов, тока главной цепи, тока возбуждения, мощности и скорости вращения ГЭД показывает, что каждая из рассмотренных схем действует по принципу отклонения регулируемой величины.

56 ГЭУ океанографического судна "Аранда"

Океанографическое судно "Аранда" финской постройки имеет дизель-электрическую гребную установку переменного тока. На судне установлен кормовой ГЭД переменного тока (синхрон­ный двигатель), который питается от тиристорного преобразова­теля скорости с непосредственной связью (циклоконвертор). Частота тока, подаваемого к ГЭД от циклоконвертора, плавно регулируется в диапазоне 0 -г 15 Гц. Скорость вращения ГЭД можно регулировать в диапазоне от 0 до 18,8 рад/с (180 об/мин). Мощность ГЭД устанавливается свободно, даже более 10 МВт рис. 14.4

Дополнительно на судне имеются три электропривода постоянного тока с тиристорным управлением, в том числе один ЭД для носового гребного механизма и два ЭД подруливающих устройств. Носовой ГЭД постоянного тока, мощностью 630 кВт, на­пряжением 450 В, током 1500 А, скоростью вращения 0ч 29,3рад/с (0 280 об/мин). Его система управления работает по принципу регулирования по мощности. Два ЭД подруливающих устройств [215 кВт, 440 В, 557 А, 0 ч- 150,5 рад/с (0 1400об/мин)], их система управления работает по принципу регулирования скорости (по якорному напряжению).

Циклоконвертор состоит из трех встречно-параллельно включенных трехфазных тиристорных мостов. Каждый половинный мост формирует полупериод выходного напряжения. Управляющее напряжение тиристорных мостов имеет синусоидальную форму и формируется с помощью микро-ЭВМ. При подаче нагрузки циклоконвертор имеет coscp близкий к единице во всем рабочем диапазоне. На стороне сети изменяется в зависимости от требуемого двигателем напряжения в диапазоне от 0,7 до 1,0. Питающее напряжение циклоконвертора - 400 В при частоте 50 Гц, напряжение на выходе 0 340 В при частоте 15Гц, выходной ток - 2000 А.

Для управления системой "циклоконвертор - синхронный электродвигатель" применяется векторная система управления, в которой управляющим элементом является сам двигатель. Действует она с использованием микро-ЭВМ.

Развиваемый электродвигателем момент в векторном выражении

,

где I - вектор тока; - вектор потока воздушного зазора электродвигателя.

Оптимальное регулирование происходит в тех случаях, когда вектор I перпендикулярен вектору . Установленный на роторе указатель положения дает непрерывную информацию о положении ротора для микро-ЭВМ в цифровой форме. На микро-ЭВМ вычисляются заданные значения выходного тока циклоконвертера, при этом используется модель ЭД, запрограммированная ЭВМ. Оптимальный результат достигается с точностью до 02,0% во всем рабочем диапазоне двигателя. Электродвигатель работает при =1, что обеспечивается при оптимальном результате управления.

Общий коэффициент нелинейных искажений, вызываемых циклоконвертером,(11 12%) меньше, чем коэффициент нелинейных искажений у обычного преобразователя постоянного тока (18 22%).