В качестве источников электроэнергии на судах применяют генераторы с автономным приводом (генераторные агрегаты), генераторы отбора мощности и аккумуляторы. Если принятый для судовой электростанции род тока или величины напряжения и частоты отличаются от номинальных параметров некоторых потребителей, то применяют преобразователи электрической энергии.
Генераторные агрегаты (ГА) являются важнейшими элементами электрических станций и состоят из первичного двигателя и генератора.
Первичными двигателями могут быть дизели, паровые поршневые машины, паровые и газовые турбины. Поэтому ГА соответственно называют дизель-генераторами, парогенераторами, турбогенераторами и газотурбогенераторами.
В настоящее время в основном применяют дизель-генераторы и турбогенераторы. Парогенераторы используют редко даже на малых судах из-за их громоздкости и низкого к. п.д., а газотурбогенераторы только начинают внедрять.
Генераторные агрегаты разделяют на основные (к ним можно отнести и резервные), стояночные, аварийные и специального назначения, например для питания траловых лебедок промысловых судов.
Генераторы отбора мощности от главных судовых двигателей обеспечивают электроэнергией потребителей в ходовом режиме. Использование главного двигателя как единого источника энергии ведется двумя путями: использование отбора мощности от главного двигателя для привода валогенераторов; использование утилизации энергии выхлопных газов для питания турбогенераторов.
Установка на судах генераторов отбора мощности обусловлена целым рядом преимуществ и имеет большое практическое значение.
Аккумуляторы на судах используют в качестве аварийных источников электроэнергии, основного источника малого аварийного освещения, в качестве буферного источника тока при использовании валогенераторов, для пуска двигателей внутреннего сгорания и т. д. На судах применяют кислотные и щелочные аккумуляторы.
Преобразователи электрической энергии превращают один род тока в другой или одни величины напряжения и частоты в другие. Они бывают вращающиеся и статические.
К вращающимся относятся двухмашинные и одноякорные преобразователи. Двухмашинные преобразователи состоят из двух электрических машин (двигателя и генератора), установленных на общей фундаментной раме и соединенных с помощью муфты.
Двухмашинные преобразователи занимают много места, тяжелы, сравнительно дороги и обладают низким к. п. д. Поэтому чаще используют одноякорные преобразователи.
Одноякорные преобразователи — это машины постоянного тока, у которых с одной стороны якоря расположен коллектор, а с другой — контактные кольца (три — у трехфазных и два — у однофазных преобразователей), соединенные с обмоткой якоря. Одноякорный преобразователь может преобразовывать постоянный ток в переменный, или наоборот. Если одноякорный преобразователь вращать каким-нибудь двигателем, то он будет одновременно генерировать как постоянный, так и переменный ток.
К статическим преобразователям относятся: ионные и электронные преобразователи; неуправляемые и управляемые полупроводниковые преобразователи. На судах наибольшее распространение получили полупроводниковые преобразователи. По типу применяемых вентилей они подразделяются на купроксные, селеновые, германиевые и кремниевые.
ГЕНЕРАТОРНЫЕ АГРЕГАТЫ
Любой генераторный агрегат, как уже отмечалось, состоит из первичного двигателя и генератора.
Первичные двигатели. Выбор типа первичного двигателя судовых генераторов обычно определяется типом главной судовой установки. Если главный двигатель на судне — дизель, то в качестве первичных двигателей генераторов используют дизели.
В случае установки в качестве главных двигателей паровых турбин, первичными двигателями генераторов являются паровые турбины. Однако на этих судах, как правило, устанавливают и дизель-генераторы. Они обеспечивают судно электроэнергией при аварийных ситуациях и стоянке в порту, когда работа турбогенераторов невозможна или экономически нецелесообразна.
Использование дизелей в качестве первичных двигателей судовых; генераторов целесообразно, так как они экономичны, компактны, автономны и требуют сравнительно несложной и небольшой п о времени подготовки к пуску.
В настоящее время в основном применяют дизели с частотой вращения 500—750 об/мин и 1000—1500 об/мин. Высокооборотные дизель-генераторы легче малооборотных, занимают меньше места, дешевле и имеют более высокий к. п. д. Однако они обладают меньшим моторесурсом и очень шумны. Дизели допускают возможность работы с перегрузкой 10% номинальной мощности в течение одного часа.
Судовые дизель-генераторы (ДГ) по способу соединения с первичными двигателями разделяют на:
ДГР—дизель-генератор рамный, у которого дизель и генератор конструктивно не связаны; генератор имеет два подшипниковых щита и присоединяется к дизелю с помощью жесткой или эластичной муфты;
ДГФ — дизель-генератор фланцевый, генератор которого крепится к дизелю при помощи фланца и может иметь один-два щита;
ДГМ — дизель-генератор маховичный; генератор в этом случае имеет один подшипник со стороны, противоположной дизелю, а его вал жестко соединен с коленчатым валом.
Турбогенераторы по сравнению с дизель-генераторами имеют большие сроки службы и надежность. Вращаются они равномерно, поэтому параллельная работа турбогенераторов более устойчива, чем дизель-генераторов. Вместе с тем они менее экономичны, перед пуском турбину необходимо сравнительно долго прогревать, а в случае аварии котельной установки судно оказывается обесточенным. Турбогенераторы в основном имеют рамное исполнение и турбина соединяется с генератором непосредственно, либо через редуктор (табл. 2 и 3).
Табл. 3. Технические данные некоторых отечественных турбогенераторов
В последнее время на судах начали применять газовые турбогенераторы, которые соединяют в себе достоинства паровой турбины и дизеля. Газовые турбогенераторы имеют небольшие массу и габариты, приходящиеся на единицу мощности установки. Они надежны в работе, быстро запускаются и имеют сравнительно большой срок службы (10 000 ч). В то же время газовые турбогенераторы имеют большую шумность, большой удельный расход топлива и другие недостатки, которые сдерживают широкое их применение на судах.
Основные требования Правил Регистра, предъявляемые к первичным двигателям генераторов:
- номинальная частота вращения должна отличаться от критической первичного двигателя не менее чем на 20%;
- первичные двигатели генераторных агрегатов, работающих параллельно, должны иметь тождественные механические характеристики;
- регуляторы частоты вращения первичных двигателей при набросах и сбросах полной нагрузки должны обеспечивать автоматическое поддержание номинальной частоты вращения в следующих пределах: мгновенное изменение — не более 10% номинального значения;
- установившаяся частота вращения не должна отличаться от номинальной более чем на 5%;
- время достижения новой установившейся частоты вращения — не более 5 с;
- конструкция регуляторов первичных двигателей должна предусматривать возможность дистанционного изменения частоты вращения в пределах ±10% номинального значения;
- если первичный двигатель, кроме основного регулятора частоты вращения, имеет предельный регулятор, то последний должен автоматически прекращать подачу пара (топлива) при увеличении частоты вращения на 15% выше номинальной;
- турбогенераторы с принудительной смазкой должны выполняться таким образом, чтобы в случае падения давления в системе смазки турбина останавливалась, а генератор отключался от шин распределительного щита.
Судовые генераторы. В качестве генераторов судовых электростанций используют генераторы как постоянного, так и переменного тока. Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения должны иметь автоматические регуляторы напряжения, обеспечивающие стабилизацию напряжения с точностью ±2,5% номинального значения. Однако на электростанциях постоянного тока обычно применяют генераторы смешанного возбуждения (компаундные). Саморегулирование напряжения выполняется с помощью обмотки возбуждения в зависимости от тока нагрузки без каких-либо внешних регулирующих устройств.
Согласно Правилам Регистра изменение напряжения генераторов смешанного возбуждения при изменении нагрузки от 20 до 100% номинального значения не должно превышать 5% для генераторов мощностью включительно до 15 кВт, 4% — от 15 до 50 кВт, 3% —свыше 50 кВт.
На судах наибольшее распространение получили генераторы постоянного тока серии П. Они изготавливаются на мощности от 3 до 200 кВт, напряжением 115, 230, 320 и 460 В, имеют теплостойкую стеклослюдяную изоляцию и выполняются в брызгозащищенном исполнении.
В качестве генераторов переменного тока в судовых электростанциях, как правило, используют синхронные генераторы. Наибольшее распространение получили такие серии синхронных генераторов, как МС, МСК, МСС, ГСС (табл. 4). Генераторы МС имеют машинный возбудитель, а остальные, указанные в табл. 4, генераторы являются самовозбуждающимися.
Табл. 4. Основные данные ССГ
Напряжение и частота генераторов переменною тока при изменении нагрузки и ее характера (cos ф) изменяются в значительных пределах. Поэтому первичный двигатель генераторного агрегата снабжают регулятором частоты вращения, а синхронный генератор — регулятором напряжения.
Судовые синхронные генераторы (ССГ) чаще всего изготавливают в брызгозащищенном исполнении. Они могут иметь разомкнутую или замкнутую систему охлаждения. Разомкнутая система охлаждения генератора, в свою очередь, может быть с самовентиляцией, когда вентилятор является частью машины, и с независимым охлаждением, когда вентилятор размещается вне машины. При разомкнутой системе охлаждения через генератор проходит воздух, поступающий из окружающей среды. Этот воздух загрязнен и содержит значительный процент паров нефтепродуктов, что приводит к загрязнению, ухудшению вентиляции и, следовательно, нагреву генератора. Кроме того, при этом быстро разрушается электроизоляция обмоток генератора. Поэтому для устранения указанных недостатков в настоящее время в генераторах (например, типы МСК: М — морской, С — синхронный, К — кремнийорганическая изоляция) применяют систему охлаждения по замкнутому циклу с охлаждением воздуха в водяном воздухоохладителе. Воздухоохладитель состоит из батареи ребристых трубок, через которые прокачивается забортная вода. При этой системе охлаждения исключается попадание внутрь генератора паров нефтепродуктов и пыли. Недостатком замкнутой системы охлаждения генераторов является усложнение конструкции генератора и увеличение его стоимости.
Согласно Правилам Регистра у судовых генераторов переменного тока напряжение должно поддерживаться в пределах ±2,5% номинального значения. Генератор должен иметь резерв по возбуждению, чтобы в случае его перегрузки током, равным 150% номинального значения при cos ф = 0,6, в течение 2мин поддерживалось номинальное напряжение с точностью 10%.
Напряжение генератора переменного тока, работающего в нормальном эксплуатационном режиме, не должно снижаться ниже 85% и повышаться выше 120% номинального значения при внезапном изменении симметричной нагрузки. По окончании переходного процесса напряжение генератора должно в течение не более 1,5 с восстанавливаться в пределах ±3% номинального значения.
В общем судовые генераторы постоянного и переменного тока должны иметь минимальную массу и габариты; обладать высокой надежностью в работе; обеспечивать получение электроэнергии требуемого качества, т. е. они должны поддерживать напряжение, а в случае переменного тока и частоту, в заданных пределах во всех режимах работы; иметь высокий к. п.д.; быть удобными в эксплуатации; быть готовыми работать в специфических морских условиях и т. д.
В настоящее время уделяется большое внимание разработке и исследованию новых способов прямого получения электроэнергии из тепловой или химической энергии топлива. Для судовой электроэнергетики в этом плане практический интерес могут представить электрохимические, термоэмиссионные, термоэлектрические и магнитогидродинамические генераторы.
Генераторные агрегаты являются важнейшими элементами судовых электрических станций, поэтому вопросу их эксплуатации должно уделяться особое внимание.
Исправное состояние электрических генераторов, работающих с номинальной нагрузкой при номинальных значениях напряжения и частоты вращения, характеризуется: нормальным нагревом генератора и отдельных его частей; отсутствием искрения под щетками; нормальным сопротивлением изоляции всех его токоведущих частей; допустимой нормой вибрации его корпуса.
Чрезмерный нагрев генераторов приводит к порче электрической изоляции его обмоток и токоведущих частей, вследствие чего может возникнуть КЗ. Поэтому в процессе эксплуатации обслуживающий персонал должен постоянно следить за температурой нагрева генераторов. При недопустимом нагреве генератора его следует немедленно вывести из работы и устранить причину этого ненормального состояния. Температуру корпуса генератора и отдельных его частей можно измерить термометром, шарик которого обернут станиолем. Термометр прикладывают к наружной части генератора и прикрывают снаружи ватой.
В связи с внедрением на судах комплексно-автоматизированных электростанций, датчики температуры помещают в отдельные важнейшие части генератора. Например, использование термопар в обмотках статора генератора и вывод соответствующих показаний температур (с аварийной сигнализацией) на дисплей центрального поста управления, значительно упрощает мониторинг температур обмоток статора.
Допустимая температура нагрева генератора зависит от класса изоляции его токоведущих частей.
Все судовые электрические машины в соответствии с Правилами Регистра должны работать в продолжительном режиме при номинальной нагрузке практически без искрения, т. е. при классе коммутации от 1 до 1х1/4 (табл. 5).
Таблица 5. Шкала искрения электрических машин
Во время эксплуатации необходимо следить за правильной установкой щеткодержателей и щеток, а также за состоянием поверхности колец и коллекторов.
Щетки должны прилегать к кольцам или коллектору всей рабочей поверхностью. Величина давления на щетки указывается в инструкции, обычно она лежит в пределах 1,5—2,3 Н/см2.
Проверить давление на щетки можно динамометром. Кольца генераторов переменного тока прирабатываются неодинаково. На отрицательном кольце образуются полоски пористого материала, и оно имеет шероховатую поверхность. Объясняется это переносом материала контактного кольца в щетку и электрохимическим процессом в месте контакта щетки и кольца под действием атмосферной влаги. Поэтому в процессе эксплуатации требуется периодически менять полярность колец путем переключения концов возбуждения на щеткодержателях или в коробке выводов.
Контактные кольца и коллекторы следует ежедневно протирать сухой суконной ветошью и только в случае сильного загрязнения — ветошью, смоченной спиртом. Кольца и коллекторы после промывки нужно насухо протереть сухой ветошью. При нарушении поверхности колец и коллекторов их шлифуют специальным пемзовым камнем либо стеклянной бумагой.
Износ щеток зависит от ухода за ними, условий охлаждения, материала контактных колец, плотности тока и частоты вращения. Характеристики некоторых щеток приведены в табл. 6.
Таблица 6. Основные технические характеристики щеток
Примечания: 1. Переходное падение напряжения указано при рекомендуемой плотности тока. 2. При работе электрических машин в условиях повышенной вибрации и больших частотах вращения (свыше 1500 об/мин) удельное нажатие на щетку может быть повышено до 0,5 кгс/см2.
Проверить давление на щетки можно динамометром. Кольца генераторов переменного тока прирабатываются неодинаково. На отрицательном кольце обр.
Качество изоляции обмоток и токоведущих частей генераторов имеет важное значение в обеспечении безаварийной работы судовой электростанции. Судовые генераторы имеют в основном изоляцию классов В, F и Н с предельно допустимыми температурами соответственно 130, 155 и 180°С.
Величина сопротивления изоляции понижается при воздействии на нее влаги, масла, пыли, повышенных температур, вибрации и других факторов. Поэтому генераторы в процессе эксплуатации нужно периодически чистить, а если обмотки загрязнены маслом или топливом, то при чистке необходимо пользоваться моющими средствами. Для промывки обмоток генераторов применяют бензин, смесь авиационного топлива ТС-1 и фреона 113 в соотношении 4:1, смесь бензина со спиртом (20% бензина и 80% спирта), уайт-спирит и другие моющие средства.
Контроль сопротивления изоляции обмоток и токоведущих частей генератора осуществляют с помощью переносного мегомметра. Нормальным считается сопротивление изоляции, равное 2 МОм в горячем и 5МОм в холодном состоянии генератора. Согласно Правилам Регистра наименьшее допустимое значение сопротивления изоляции 0,7 МОм.
Вибрация генератора нарушает нормальную работу его щеточного аппарата и приводит к механическим повреждениям. Правилами Регистра оговорена допустимая для судовых генераторов вибрация.
В настоящее время на судах применяют в основном синхронные генераторы с самовозбуждением (табл. 7).
Таблица 7. Основные неисправности ССГ и их устранение
