Отработка эксплуатационных навыков по управлению судовыми синхронными генераторами

Цель работы

Ознакомление с конструкцией ГРЩ, его коммутационно-защитной и измерительной аппаратурой, электрогенерирующими агрегатами и их системами регулирования и управления. Испытание электрической станции в различных режимах работы. Исследование различных способов включения генераторов на параллельную работу. Отработка навыков по настройке САР напряжения и частоты вращения генерирующих агрегатов.

Программа работы

1. Ознакомиться с конструкцией ГРЩ, дать эскиз его общего вида.
2. Ознакомиться с электрогенерирующими агрегатами, их конструкцией и техническими характеристиками.
3. Ознакомиться с конструкцией, устройством, техническими характеристиками коммутационно-защитной и измерительной аппаратуры ГРЩ.
4. Произвести испытания электростанции в условиях работы каждого электрогенерирующего агрегата в отдельности.
5. Произвести испытания электростанции в процессе синхронизации различными способами.
6. Произвести испытания электростанции в условиях параллельной работы агрегатов.
7. Произвести испытания защиты генераторов от обратной мощности.
8. Обработать результаты испытаний и дать их анализ.

Основные сведения и теоретические положения

Главные распределительные щиты ГРЩ принимают электрическую энергию от генераторов электростанции и распределяют ее между распределительными щитами и отдельными потребителями. ГРЩ состоит из ряда секций: генераторных, распределительных и управления. На генераторных секциях устанавливают коммутационную, защитную, контрольно-измерительную и сигнальную аппаратуру, относящуюся к генераторам и позволяющую производить управление и контроль работы генератора. На распределительных секциях устанавливается коммутационная, защитная и контрольно-измерительная аппаратура, относящаяся к потребителям электроэнергии. Секции управления выделяют на ГРЩ судовых электростанций для включения генераторов на параллельную работу. На этой секции находится вся аппаратура, необходимая для синхронизации генераторов. На каждой генераторной секции устанавливают: амперметр с переключателем для контроля величины нагрузки каждой из фаз генератора, вольтметр с переключателем для контроля линейных напряжений генератора, частотомер для измерения частоты вращения агрегата, киловаттметр для измерения активной мощности, амперметр и вольтметр для измерения тока и напряжения в цепи возбуждения генератора. Кроме того, на генераторной секции устанавливается селективный автоматический выключатель, осуществляющий коммутацию генератора и ряд защитных функций его, а также реле обратной мощности для защиты генератора от перехода в двигательный режим.

Для защиты генераторов от перегрузки и токов короткого замыкания автоматы содержат электромагнитные расцепители с механическими замедлителями расцепления.
Наиболее характерными операциями, с которыми приходится сталкиваться при эксплуатации судовых электрических станций, являются: введение в действие и выведение в резерв источников электроэнергии; синхронизация источников электроэнергии; распределение нагрузок пропорционально мощностям источников; частичная разгрузка при недостатке мощности или аварии одного из источников электроэнергии; включение и отключение коммутационных аппаратов для управления распределением электроэнергии или обеспечения определенного режима работы судна; определение состояния изоляции электрических цепей.

В подавляющем большинстве случаев стремятся применять параллельную работу генераторов, так как в этом случае достигаются лучшая загрузка генерирующих агрегатов и наиболее эффективное их использование, обеспечивается непрерывное питание потребителей при переходе с одного генератора на другой. Раздельная работа применяется только в тех случаях, когда при параллельной работе генераторов происходит неудовлетворительное распределение нагрузки между ними. Так, например, исключается параллельная работа валогенераторов, затруднена устойчивая параллельная работа генераторов при большом различии маховых масс.

Параллельная работа генераторов имеет следующие особенности:

• необходимость обеспечения специальных способов включения генераторов на параллельную работу;
• необходимость обеспечения правильного распределения нагрузки между генераторами;
• возможность статического и динамического нарушения параллельной работы генераторов;
• увеличение токов короткого замыкания.

Включение генераторов переменного тока на параллельную работу можно производить тремя способами: точной синхронизацией, грубой синхронизацией и самосинхронизацией. На рис. 1а представлена принципиальная схема точной синхронизации генераторов. Включение производится в такой последовательности (предположим, что генератор Г1 работает, а генератор Г2 подключается):

Рис. 1. Принципиальные схемы методов синхронизации генераторов:

а — точной; б — грубой; в — самосинхронизации

1. С помощью регуляторов возбуждения РВ по вольтметрам V уравнивают напряжения генераторов.
2. Воздействуя на серводвигатель СД, который механически связан с регулятором энергоподачи, с помощью переключателя питания ПСД производят уравнивание частоты вращения генераторов, контролируя это по частотомерам Hz .
3. Выключателем В включают одну обмотку синхроскопа SIN на шины электростанции, а другую через переключатель П — на напряжение генератора Г2.

Путем изменения подачи энергоносителя первичного двигателя генератора добиваются наиболее медленного вращения стрелки синхроскопа (т. е. минимальной разности частот генераторов) и в момент, когда стрелка прибора проходит красную отметку (или с углом опережения 10—15°), что соответствует совпадению напряжений генераторов по фазе, включают автомат генератора Г2 на шины электростанции.

Осуществление точной синхронизации требует от обслуживающего персонала достаточного опыта и затраты определенного времени. При неточном включении могут быть броски тока, превышающие 15-кратные от номинального тока генератора, которые представляют опасность для механической целостности генератора, а также вызывают большие колебания и провалы напряжения. Для того чтобы исключить возможные ошибки обслуживающего персонала, процесс включения генераторов способом точной синхронизации в большинстве случаев автоматизируется.

На рис. 1б представлена схема грубой синхронизации, которая осуществляется в следующем порядке:

1. Уравнивают напряжения и частоты генераторов, пользуясь теми же аппаратами и приборами, что и при точной синхронизации.
2. Замыкают контакт К2 и тем самым включают генератор Г2 на параллельную работу через реактор хр.
3. После спадания первоначального броска тока и уменьшения колебаний напряжения генераторов включают автомат генератора Г2 и размыкают контакт Кг.

Обычно генераторный автомат включается через 3—5 с после включения реактора. Следовательно, при грубой синхронизации в отличие от точной включение генераторов на параллельную работу обычно сопровождается броском уравнительного тока между генераторами под действием геометрической разности
их напряжений ∆U:

Величина сопротивления реактора хр выбирается с таким расчетом, чтобы бросок тока не превышал допустимое значение (Iдоп ≤ 1,5÷2Iн), а провал напряжения не превышал допустимый Правилами Регистра , равный 20% от номинального напряжения. Автоматизация грубой синхронизации осуществляется более простыми средствами по сравнению с точной. На рис. 1в представлена схема самосинхронизации генераторов.

При этом способе выполняются следующие операции:

1. Подключаемый генератор запускается и разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной. При этом обмотка возбуждения генератора замкнута на сопротивление R, в 10÷20 раз превышающее собственное сопротивление, и отключена от источника питания (контакт К1 замкнут, K2 — разомкнут). Частоту вращения контролируют по тахометру.
2. С помощью автомата генератор Г2 включается на шины электростанции.
3. После спадания первоначального броска тока замыкается контакт K2 и размыкается К1. Эта операция, как правило, автоматически выполняется вслед за второй операцией с небольшой выдержкой времени ВВ, величина которой может регулироваться. 

После второй операции неизбежен бросок тока I2, равный 5—7 кратному от номинального, так как по существу это соответствует включению на шины электростанции асинхронного электродвигателя.

До подачи возбуждения на генератор действуют асинхронный и реактивный вращающие моменты. После подачи возбуждения (третья операция) добавляется асинхронный вращающий момент и генератор сам втягивается в синхронизм (отсюда название самосинхронизация). Наиболее частым для судовых электросистем является случай включения на параллельную работу генераторов одинаковой мощности. При этом провал напряжения составляет 30—40% от номинального, полное время восстановления равно нескольким секундам. По этой причине способ самосинхронизации можно применять только на тех судах, где подобные колебания не оказывают вредного воздействия на работу потребителей. Весьма заманчивым является то обстоятельство, что самосинхронизация элементарно автоматизируется.

Распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами производится регулированием тока возбуждения и вращающего момента на валу генератора. После того как произведено принудительное распределение нагрузки, необходимо, чтобы в дальнейшем генераторы самостоятельно поддерживали распределение нагрузок в заданной им пропорции. Это обеспечивается настройкой характеристик автоматического регулирования напряжения и частоты вращения генераторных агрегатов. Наклон (статизм) характеристик регулирования принято определять по формулам:

где δU, δп - соответственно статизм характеристики регулирования напряжения и частоты вращения генераторного агрегата;
U0, n0 - соответственно напряжение и частота вращения холостого хода;
U1, n1 - напряжение и частота вращения при номинальной нагрузке;
Uср, пср — напряжение и частота при нагрузке 0,5 от номинальной.

Краткое описание лабораторной установки

Исследуемая установка включает главный распределительный щит, состоящий из двух генераторных секций, одной секции управления и двух распределительных секций. В качестве генераторов использованы синхронные генераторы с самовозбуждением типа ЕС52-ЧСФ, приводными двигателями являются электродвигатели постоянного тока типа П-51. На ГРЩ установлена коммутационно-защитная и контрольно-измерительная аппаратура, применяющаяся в настоящее время в судовых электроустановках.

Порядок проведения эксперимента

1. Убедившись в том, что ГРЩ полностью обесточен, с разрешения руководителя открыть панели щита, ознакомиться с его конструкцией. Ознакомиться с аппаратурой, установленной на ГРЩ. Изучить принципиальную схему ГРЩ.
2. Изучить системы управления приводными двигателями генераторов и регулирования возбуждения генераторов.
3. Закрыть панели ГРЩ, подготовить агрегаты к пуску и с разрешения руководителя занятий запустить один из агрегатов электростанции.
4. Подключить генератор к шинам ГРЩ, снять его статические характеристики регулирования напряжения и частоты вращения. Результаты эксперимента записать в табл. 1.
5. С помощью прибора типа ПСД записать временные характеристики регулирования напряжения и частоты вращения агрегатов при набросе 50 и 100% нагрузки с различными значениями cos ф.
6. Отключить и остановить первый агрегат, запустить второй и провести исследования, указанные в пунктах 4 и 5. Результаты записать в табл. 2.
7. Сравнить результаты эксперимента с точки зрения правильного распределения нагрузок при параллельной работе агрегатов. Сделать соответствующие выводы и при необходимости произвести наладку регуляторов.
8. Запустить первый агрегат и произвести включение его на шины различными способами синхронизации. Провалы напряжения и броски токов записывать с помощью самопишущих приборов.
9. Произвести равное распределение нагрузок между параллельно работающими агрегатами и, осуществляя частичный наброс и сброс нагрузки, проверить правильность наладки регуляторов.
10. Обработать результаты эксперимента; дать сравнение и анализ методам синхронизации, наладки регуляторов, качества регулирования.

Оформление отчета

1. Привести эскиз, принципиальную схему ГРЩ и паспортные данные приборов, машин и аппаратов ГРЩ.
2. Построить статические характеристики регуляторов fг =f(Pa); Uг =f(Iг) для каждого генераторного агрегата.
3. Рассчитать статизмы регулирования, пользуясь формулами (2).
4. Зная параметры генераторов и величину броска в процессе грубой синхронизации, определить сопротивление реактора.
5. Привести результаты записи переходных процессов.
6. Дать анализ экспериментов с выводами по наладке систем регулирования.
7. Ответить на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Из каких секций состоят судовые ГРЩ?
2. Какую аппаратуру и приборы включают секции ГРЩ?
3. Пояснить принцип работы САР напряжения исследуемых генераторов.
4. В чем сущность методов синхронизации генераторов судовых электростанций? Их преимущества и недостатки.
5. Как распределяются нагрузки между параллельно работающими генераторами?
6. В чем сущность наладки регуляторов напряжения и частоты вращения генерирующих агрегатов при их параллельной работе?
7. Что такое статизм регулирования?

ЛИТЕРАТУРА

1. Константинов В. Н. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. Л., «Судостроение», 1972.
2. Никифоровский Н. Н., Норневский Б. И. Судовые электрические cтанции. М.—Л., «Транспорт», 1974.
3. Яковлев Г. С. Судовые электроэнергетические системы. Л., «Судостроение», 1967.