Основное преимущество ГЭУ двойного рода тока с управляемыми выпрямителями состоит в возможности использования единой судовой электростанции для питания ГЭД через управляемый выпрямитель (система УВ — Д) и питания остальных потребителей судна.
На современных судах количество и мощность потребителей электроэнергии увеличиваются, причем мощность судовой электростанции становится соизмеримой с мощностью тепловых двигателей, приводящих в действие гребные винты. На судах большинства типов потребление электроэнергии на ходу судна значительно меньше, чем на стоянке при производстве грузовых операций. Бывают режимы, когда максимальный расход электроэнергии приходится на время малого хода судна, что характерно для рыбопромысловых судов. ГЭУ с единой электростанцией и ГЭД, включенным по системе УВ — Д, позволяют уменьшить число агрегатов и размеры машинного отделения, обеспечивают полную загрузку генераторных агрегатов на ходу и на стоянке, обладают высокой живучестью и надежностью.
Генераторы работают на шины ГРЩ при неизменной частоте и напряжении. Частота вращения ГЭД постоянного тока регулируется изменением напряжения на выходе управляемого выпрямителя (УВ), а реверс осушествляется переключением обмотки возбуждения ГЭД.
Количество судов с использованием ГЭУ с единой электростанцией и ГЭД, включенным по системе УВ — Д, с каждым годом увеличивается. Такие установки представлены судами различных типов: ледоколами, паромами, цементовозами, траулерами, научно-исследовательскими судами и т. п.
Регулирование выпрямленного напряжения с помощью управляющего электрода тиристора рассмотрим на примере трехфазного выпрямителя с нулевым выводом (рис. 1, а).
На графике (рис. 1, б) представлены синусоиды фазных напряжений uа, ub, uc. статорной обмотки генератора или вторичной обмотки трансформатора с фазами а, b, с. Тиристор, анод которого имеет наиболее высокий потенциал относительно нулевой точки схемы, откроется, если на его управляющий электрод будет подан импульс с плюсом относительно катода.
Импульс подается со сдвигом на угол управления а начиная с момента, когда потенциал на аноде вентиля 1 стал больше, чем на аноде вентиля 3. Углом а можно регулировать начало протекания тока через тиристор 1, причем пока тиристор 1 не открылся, ток продолжает протекать через тиристор 3.
Для того чтобы выпрямленное напряжение ud не имело отрицательных значений, угол а не должен превышать π/6. Среднее выпрямленное напряжение уменьшается с увеличением угла а. Если индуктивность сглаживающего дросселя Ld бесконечно велика, выпрямленный ток идеально сглажен. На рис. 1, в показан ток через вентили при бесконечно большой индуктивности нагрузки. При чисто активной нагрузке (Ld = 0) форма тока через вентиль 1 повторяет форму кривой напряжения (рис. 1, г). Пульсации выпрямленного напряжения и тока увеличиваются.
Рис. 1. Управляемый трехфазный выпрямитель с нулевым выводом и временные диаграммы его токов и напряжений
Среднее значение выпрямленного напряжения может быть определено по формуле: Ud = Ud0 cos a, где Ud0 — выпрямленное напряжение в неуправляемом режиме, т. е. угле управления а = 0.
Для трехфазного выпрямителя с нулевым выводом отношение среднего выпрямленного напряжения Ud к действующему значению фазного напряжения Uф равняется 1,17. При Uф = 220 В и а = 0 Ud0 = 257 В. При а = 30° Ud = 257 х 0,866 = 222 В. При а = 90° Ud = 0.
При а > π/6 в кривой выпрямленного напряжения появляются отрицательные значения (рис. 1, б). В пределах угла от 0 до π/2 ток проходит через вентиль 3 (рис. 1, е), угол а при этом равен π/3.
Отрицательное значение выпрямленного напряжения создается благодаря э.д.с. самоиндукции, которая наводится в дросселе при уменьшении тока в вентиле 3. Этот ток направлен встречно фазному напряжению Uc, которое стало отрицательным (см. рис. 1, б).
При чисто активной нагрузке (Ld = 0) кривые выпрямленного напряжения и тока становятся прерывистыми (рис. 1, ж, з). При уменьшении выпрямленного напряжения от значения фазного напряжения uс до нуля ток через вентиль 3 прекращается и отсутствует в цепи нагрузки до открытия вентиля 1. В те промежутки времени, когда выпрямленный ток равен нулю, равно нулю и выпрямленное напряжение. Если в цепи выпрямленного тока включен дроссель с конечной индуктивностью, длительность разрывов в режиме прерывистого тока зависит от индуктивности сглаживающего дросселя.
Заштрихованная часть графика (см. рис. 1, б) представляет собой обратное напряжение на тиристоре 1 при работе тиристора 2 и затем 3. На графике (рис. 1, и) обратное напряжение тиристора 1 показано при угле а меньше π/6. Кривая обратного напряжения на вентиле 1 имеет положи тельные участки, которых нет при неуправляемом режиме выпрямителя.
Это объясняется наличием положительного потенциала на аноде закрытого тиристора, пока на управляющий электрод не подан импульс. График (рис. 1, к) показывает обратное напряжение на тиристоре 1 при угле, равном примерно π/3. Тиристор 1 находится в закрытом состоянии при положительном потенциале на аноде в пределах угла 60°, поэтому прямое положительное напряжение достигает значения (Uпрт, равного максимальному напряжению фазы ua.
Открытое состояние тиристора соответствуй нулевому напряжению на нем, так как прямое сопротивление можно считать равным нулю. При работе тиристоров 2 и 3 обратное напряжение достигает Uобрт = 2,09 Ud.
К тиристору, выходящему из работы, мгновенно прикладывается значительное отрицательное напряжение; для защиты от перенапряжения параллельно тиристору включается активно-емкостный R — С контур.
Рассмотренные физические процессы при работе тиристоров в с нулевым выводом характерны для других схем выпрямления. Для схем выпрямления справедливой остается зависимость выпрямленного напряжения от соs а в режиме непрерывного выпрямленного тока. Во всех схемах выпрямления возможен режим прерывистого тока. Чем больше кратность пульсаций выпрямленного напряжения, тем больше угол управления a, при котором наступает режим прерывистого тока.
Процесс коммутации, т. е. переход тока с одной фазы на другую, зависит от индуктивности источника питания.
Влияние управляемого выпрямителя на входное и выходное напряжение
Потребляемый трехфазным выпрямителем ток отличается от синусоидального и содержит все нечетные гармоники, не кратные трем. Токи высших гармоник не производят полезной работы, а увеличивают реактивную составляющую потребляемой мощности, вызывают дополнительные потери энергии во всей цепи и требуют повышения установленной мощности генераторов.
Вокруг трехфазного кабеля, по жилам которого протекают несинусоидальные токи, создаются высокочастотные магнитные поля, индуктирующие наводки в соседних проводах. Э. д. с. наводки может действовать как сигнал и производить ложные включения схемы. При монтаже силовых и сигнальных кабелей предъявляются особо жесткие требования к их расположению и экранированию.
В схемах ГЭУ необходимо определить коэффициент мощности и состав высших гармоник тока при различной частоте вращения ГЭД, т. е. при различных значениях выпрямленного напряжения. Наиболее тяжелым режимом является режим, когда выпрямленное напряжение изменяется в широких пределах при постоянном значении выпрямленного тока. При этом активная мощность, равная мощности постоянного тока, изменяется пропорционально выпрямленному напряжению. С уменьшением выпрямленного напряжения до нуля реактивная мощность генератора стремится к 100%, а коэффициент мощности уменьшается до нуля.
Создаваемые управляемым выпрямителем высшие гармоники тока оказывают влияние на синхронные генераторы и на всю сеть. Коэффициент допустимой загрузки обмотки статора генераторов типа МСК в связи с увеличением потерь от высших гармоник равен 0,94. Активная мощность генератора при работе на выпрямитель должна быть снижена в соответствии с коэффициентом загрузки на 6%.
Асинхронные двигатели судовых механизмов получают питание от общих шин. т. е. работают от несинусоидального напряжения, что приводит к некоторому перегреву. Нагрев асинхронных двигателей требует запаса по мощности не более 2%. Учитывая, что электродвигатели судовых механизмов полностью не загружаются, можно не прибегать к выбору асинхронных двигателей с указанным запасом по мощности. Искажение напряжения сети снижает амплитуду первой гармоники напряжения на 5 — 6%, вследствие чего вращающий момент выбранных двигателей снижается пропорционально квадрату напряжения почти на 10%. Поэтому требуется проверка судовых асинхронных двигателей по моменту в номинальном и переходных режимах.
Существует несколько способов сглаживания выпрямленных токов и напряжений: в выпрямителях средней и большой мощности — последовательное включение сглаживающих дросселей на стороне постоянного тока; в выпрямителях малой мощности — включение сглаживающих конденсаторов параллельно нагрузке; включение Г- и П-образных фильтров, состоящих из дросселей и конденсаторов.
Для уменьшения несинусоидальности тока и напряжения используют дроссели, включенные в каждую фазу на стороне переменного тока. На некоторых ледоколах управляемые выпрямители для питания обмоток возбуждения генераторов и ГЭД включаются через разделительные трансформаторы. На других ледоколах от общесудовых шин напряжением 600 В получают питание управляемые выпрямители ГЭД с использованием дросселей и отдельные мощные потребители. Сеть напряжением 380 В получает питание через вращающиеся преобразователи с асинхронными двигателями на 600 В и синхронными генераторами на 400 В.
